МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
MULTI-CHANNEL TEMPERATURE CONTROL DEVICE

Устройство относится к измерительной технике, в частности к техническим средствам измерения температуры зерна во время сушки и хранения.
1. Известно «Многоканальное устройство контроля температурных режимов инкубаторов» (А.с. №1157528, кл. G01D 23/19, опубликовано 23.05.85. Бюл. №19), в котором данные полупроводникового термосопротивления после ряда преобразований (сопротивление - ток-время-код) преобразуются к цифровому коду и поступают на индикатор.
Недостатки устройства:
а) Устройство громоздкое, дорогое и сложное в настройке и эксплуатации:
- многоступенчатое преобразование температура - цифровой код с соответствующими подстройками;
- блок опорных частот;
б) Используемые усилители требуют регулярную подстройку нуля всех датчиков и цепи масштабирования. Это увеличивает время измерения, ухудшает точность и условия эксплуатации.
2. Известно «Устройство для многоточечного измерения температуры» (А.с. №1534334, кл. G01K 7/00. Опубликовано 07.01.90. Бюл. №1), в котором используется температурная зависимость сопротивления транзистора и заряд/разряд конденсатора.
Недостатки устройства:
а) Устройство узкополосное - работа основана на разности нелинейных характеристик двух транзисторов. Настройка и эксплуатация сложны.
б) Нет четких границ заряда/разряда конденсатора, поэтому точность невелика.
в) Чувствительность низкая. Как указывает автор, в делителе, состоящем из активного и термосопротивления, изменение номинала активного сопротивления мало влияет на результат измерений.
г) Устройство выдает сигнал в аналоговой форме, который нужно еще усилить, преобразовать к цифровому виду, выполнить масштабирование и индикацию результата. От вида этих операций зависит точность работы устройства.
Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототип) является устройство для многоточечного контроля температуры, содержащее термисторы и блок коммутации, отличающееся тем, что с целью упрощения устройства и повышения надежности его работы в устройство введены общий резистор, генератор и электронные ключи на транзисторах, базы которых соединены с блоком коммутации, коллекторы - через термисторы и общий резистор - с полюсом источника питания, а к общей точке соединения термисторов и общего резистора подключена частотно-задающая цепь генератора, выполненного в виде симметричного мультивибратора (А.с. №408161, кл. G01K 1/02. Опубликовано 10.12.1973. Бюл. №47.)
Основные недостатки устройства:
1. Результат измерений выдается в виде частоты. Для регулировки температуры объекта его надо преобразовать в цифровой код, а для индикации нужно еще и промасштабировать. Эти операции усложняют устройство, и вид их определяет дополнительные ошибки.
2. Термистор входит в частотно-задающую цепь генератора. Его сопротивление зависит от амплитуды генерируемой частоты. Кроме того, усиление транзисторов зависит от температуры. Поэтому частота генератора нелинейно зависит от температуры, что является источником дополнительных ошибок и усложняет масштабирование и автоматизацию процесса измерений.
Задача изобретения - повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей устройства, при этом преобразователь содержит ключ, вход которого соединен с источником питания, управляющий вход соединен с входом разряда таймера, а выход с его информационным входом. Цель достигается тем, что многоканальное устройство контроля температуры содержит блок питания, преобразователь сопротивления в длительность импульсов, блок коммутации, формирователь сигналов, блок индикации входами датчиков, а через образцовый конденсатор с общей шиной, вход опорного напряжения таймера соединен с выходом блока питания, а выход таймера, являющийся выходом преобразователя, соединен с первым входом формирователя, второй вход которого соединен с выходом тактового генератора, являющегося выходом коммутатора; блок коммутации содержит мультиплексор, информационные входы которого соединены с выходами соответствующих датчиков и выход с общей шиной, а управляющий вход с выходом счетчика и через дешифратор с индикатором кода канала, вход счетчика соединен с выходом тактового генератора, и счет выполняется циклически с модулем счета, равным числу каналов; первый вход формирователя соединен с входами синхронизации первого и третьего триггеров и через инвертор с входом синхронизации второго триггера; второй вход формирователя соединен с первыми входами первого и второго элементов «И», выходы которых соединены с информационными входами соответственно третьего и первого триггеров, а вторые входы соответственно с прямым и инверсным выходами второго триггера; информационный вход второго триггера соединен с выходом элемента «ИЛИ», входы которого соединены с прямыми выходами первого и третьего триггеров; входы третьего элемента «И» соединены с прямыми выходами первого и второго триггеров, а выход является первым выходом формирователя и соединен с первым входом блока индикации, являющегося первым входом пятого элемента «И», второй вход которого соединен с выходом генератора контрольной частоты, а выход с входом калибратора, содержащего последовательно соединенные счетчики - масштабирующий и двоично-десятичный, выход калибратора соединен с последовательно соединенными дешифратором и индикатором, входы сброса счетчиков калибратора соединены с вторым входом блока индикации и вторым выходом формирователя, являющимся выходом четвертого элемента «И», входы которого соединены с прямым выходом первого триггера и инверсным выходом второго триггера.
Новые существенные признаки:
1. Предлагаемый преобразователь на таймере свободен от ограничений:
- при заряде конденсатора - от внешнего сопротивления в цепи заряда (используется только разряд);
- при разряде - от внутреннего сопротивления таймера (разряд идет не через сопротивление таймера, а через сопротивление датчика).
3. Вводится генератор контрольной частоты. Это позволяет существенно повысить точность измерений и позволяет просто менять единицу измерений. Это очень важно, когда объекты измерения меняются или чередуются (овес, пшеница, горох и т.д.).
4. Вводится формирователь сигналов. При наличии генератора контрольной частоты возникает возможность увеличения времени индикации канальных сигналов. В течение такта укладывается несколько (как правило - больше десяти) сигнальных импульсов. Поэтому необходимо выделять один импульс в такте. Формирователь выделяет из последовательности один импульс, синхронизирует индикацию номера канала и температуру в нем.
5. Вводится блок индикации, расширяющий возможности устройства - позволяет визуально контролировать температуру каждого канала.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают быстрое получение и индикацию высокоточного результата измерений температуры каналов.
На Фиг. 1 изображена блок-схема устройства, на Фиг. 2 - блок-схема таймера, на Фиг. 3 - эпюры напряжения таймера, на Фиг. 4 - эпюры напряжения формирователя.
Устройство, представленное на Фиг. 1, содержит блок 1 питания, преобразователь 2 сопротивления в длительность импульсов, коммутатор 7 каналов, формирователь 13 сигналов, блок 23 индикации, при этом преобразователь 2 содержит ключ 3, вход которого соединен с блоком 1 питания, управляющий вход соединен с входом разряда таймера 4, а выход с его информационным входом и через конденсатор 6 с общей шиной, один вход датчиков 5 соединен с информационным входом таймера 4, а другой вход через мультиплексор 9 к общей шине; вход опорного напряжения таймера 4 соединен с выходом блока 1 питания, а выход таймера 4, являющийся выходом преобразователя 2, соединен с первым входом формирователя 13; коммутатор 7 содержит тактовый генератора 10, вход которого соединен с блоком 1 питания, а выход, являющийся выходом коммутатора 7, с вторым входом формирователя 13 и через счетчик 9 с управляющим входом мультиплексора 8 и последовательно соединенными дешифратором 11 и индикатором 12 номера канала; формирователь 13 содержит три триггера - 15 - первый, 16 - второй, 17 - третий, при этом первый вход формирователя 13 соединен с входами синхронизации первого 15 и третьего 17 триггеров и через инвертор 14 с входом синхронизации второго триггера 16, второй вход формирователя 13 соединен с первыми входами первого 19 и второго 20 элементов «И», выходы которых соединены с информационными входами соответственно третьего 17 и первого 15 триггеров, а вторые входы соответственно с прямым и инверсным выходами второго триггера 16, информационный вход которого соединен с выходом элемента 18 «ИЛИ», входы которого соединены с прямыми выходами первого 15 и третьего 17 триггеров, входы третьего элемента 21 «И» соединены с прямыми выходами первого 15 и второго 16 триггеров, а выход является первым выходом формирователя 13 и соединен с первым входом блока 23, второй выход формирователя 13, являющийся выходом четвертого элемента 22 «И», входы которого соединены с прямым выходом первого триггера 15 и инверсным выходом второго триггера 6 соединен с вторым входом блока 23; блок 23 индикации содержит генератор 24 контрольной частоты, выход которого соединен с вторым входом пятого элемента 25 «И», первый вход которого соединен с первым входом блока 23, а выход с входом калибратора 26, содержащего последовательно соединенные счетчики - масштабирующий 27 и двоично-десятичный 28, выход калибратора соединен с последовательно соединенными дешифратором 29 и индикатором 30; входы сброса счетчиков 27 и 28 соединены с вторым входом блока 23.
1
2
3
1
2
3
Представленный на Фиг. 2 таймер 4 содержит делитель входного напряжения в виде последовательно соединенных одинаковых по номиналу резисторов R, R, R; первый компаратор 31 верхней границы (верхнего порога) и второй компаратор 32 нижней границы (нижнего порога); триггер 33; ключ 34 на транзисторе; соединенные между собой первый вход таймера 4 Bx1 - прямой вход первого компаратора 31 и второй вход таймера 4 Вх2 - инверсный вход второго компаратора 32 образуют информационный вход таймера, а третий вход таймера 4 Вх3 - вход ключа 34 является входом разряда; при этом вход первого резистора R делителя напряжения соединен с блоком 1 питания, а выход с первым входом Bx1 таймера 4 и входом второго резистора R, выход которого соединен с вторым входом Вх2 таймера 4 и входом третьего резистора R, выход которого соединен с общей шиной; вход R триггера 33 соединен с выходом первого компаратора 31, а вход S с выходом второго компаратора 32, прямой выход является выходом таймера 4, а инверсный выход соединен с базой транзистора 34, эмиттер которого соединен с общей шиной, а коллектор с третьим входом Вх3 таймера 4 - входом разряда таймера 4.
Устройство работает следующим образом.
1
Последовательность действий преобразователя 1 на таймере 4 рассмотрим с момента включения t, когда образцовый конденсатор 6 разряжен (Фиг. 3):
1
C
H
0
1. В момент t конденсатор разряжен до значения меньше нижнего порога (U<U), поэтому первый компаратор 31 устанавливается в нулевое состояние, а компаратор 32 в единичное, а за ними и триггер 33 переключаются в единичное «1» состояние  и транзистор-ключ 34 размыкается (транзистор заперт), а ключ 2 замыкается. Конденсатор начинает заряжаться от блока 1 - источника напряжения U через ключ 2;
C
H
2. Когда напряжение на конденсаторе 6 превысит нижний порог (U>U), компаратор 32 переключится в «0», на обоих входах триггера 33 окажутся низкие потенциалы  и триггер 33 будет удерживать единичное состояние и ключ 33 разомкнутым, а ключ 2 замкнутым;
C
2
C
B
3. При дальнейшем заряде напряжение U возрастает и в момент t напряжение на конденсаторе 6 превысит верхний порог (U>U) и компаратор 31 переключится в «1» и установит триггер в «0» . Происходит замыкание ключа 34 и размыкание ключа 2. Конденсатор 6, отключенный от напряжения блока 1 ключом 2, начинает разряжаться через датчик 5;
C
B
4. Когда напряжение на конденсаторе 6 станет меньше верхнего порога (U<U), компаратор 31 переключится в «0», на обоих входах триггера 33 окажутся низкие потенциалы  и триггер 33 будет удерживать нулевое состояние «0» и ключ 34 замкнутым, а ключ 2 разомкнутым.
C
H
0
3
1
5. Когда напряжение на конденсаторе станет меньше нижнего порога (U<U), компаратор 32, а за ним и триггер 33 переключатся в единичное «1» состояние  и транзистор-ключ 34 разомкнется (транзистор заперт), а ключ 2 замкнется. Конденсатор 6 начнет заряжаться от блока 1 напряжением U через ключ 2. В момент t таймер повторяет состояние, которое было при t.
Цикл повторяется.
Особенность работы преобразователя 2 - конденсатор 6 разряжается не через таймер, как принято, а через датчик 5, поскольку датчик - термосопротивление.
B
H
Длительность единичного состояния триггера 33 равна длительности разряда емкости С конденсатора 6 от верхнего порога U до нижнего U т.е.
B
0
H
0
На практике принято U=2/3 U, а U=1/3 U. В этом случае
C
P
На выход преобразователя 2 поступает последовательность импульсов U, длительность между которыми t, согласно (2) несет информацию о сопротивлении датчика. Очередность подключения датчиков определяет коммутатор 7. Для этого счетчик 9 циклически считает импульсы тактового генератора 10 и полученный на выходе счетчика 9 код заставляет мультиплексор 8 подключить соответствующий коду датчик к общей шине. Код канала подается на индикатор 12 через дешифратор 11.
T
C
На выход генератора 10 поступает последовательность тактовых импульсов U и в каждом такте несколько (как правило, больше десяти) импульсов последовательности U. Длительность полученных импульсов определяется периодом частоты генератора 24.
C
Для устойчивой обработки информации из последовательности U надо выделить один импульс в такте, т.е. в каждом такте формировать только один строб для пропускания контрольной частоты. Формирование строба «Ст» и сигнала «Сб» - сброса счетчиков 27, 28 производится в формирователе 13 на трех триггерах 15, 16, 17 согласно аналитическим соотношениям
где Тг1, Тг2, Тг3 – сигналы на выходе триггеров 15, 16, 17.
T
C
C
T
C
Логика формирования этих сигналов поясняется на Фиг. 4. Имеется две последовательности импульсов - тактовых U с выхода генератора 10 и информационных U - с первого выхода преобразователя 2. Первый триггер 15 устанавливается в единичное состояние по фронту импульса U, когда есть тактовый импульс U и второй триггер 16 находится в нулевом состоянии. Второй триггер 16 устанавливается в «1» по срезу импульса U и наличии импульсов с первого 15 или третьего 17 триггеров. Третий триггер 17 устанавливается в «1» при наличии тактового импульса и сигнала Тг2. Триггер 15 сбрасывается сигналом с триггера 16, но чтобы он снова не установился в течение тактового импульса необходим третий триггер 17, который держится в «1» до конца тактового импульса.
По этим импульсам формируется строб (Ст) для пропускания импульсов контрольной частоты и сигнал для сброса счетчиков (Сб) перед очередным их заполнением
По стробу элемент 25 «И» блока 23 пропускает частоту генератора (24) на калибратор 26. Калибратор содержит масштабирующий 27 и двоично-десятичный 28 счетчики. Масштабирующий счетчик - счетчик, считающий по модулю, определяемому количеством импульсов, соответствующим единице измеряемого параметра. После калибратора 26 и дешифратора 29 цифровой код температуры поступает на индикатор 30.
Перечень позиций на чертеже Фиг. 1 к заявке
Многоканальное устройство контроля температуры
1 - Блок питания;
2 - Преобразователь;
3 - Ключ;
4 - Таймер КР1006 ВИ1;
5 - Датчик температуры;
6 - Образцовый конденсатор;
7 - Блок коммутации;
8 - Мультиплексор;
9 - Счетчик;
10 - Тактовый генератор; Элемент «ИЛИ - НЕ»;
11 - Дешифратор канала;
12 - Индикатор канала; Триггер;
13 - Формирователь; Триггер;
14 - Инвертор - Элемент «НЕ»;
15 - Первый D - триггер;
16 - Второй D - триггер;
17 - Третий D - триггер;
18 - Элемент «ИЛИ»;
19 - Элемент «И»;
20 - Элемент «И»;
21 - Элемент «И»; Калибратор;
22 - Элемент «И»; Счетчик масштабирующий;
23 - Блок индикации; Счетчик двоично-десятичный;
24 - Генератор контрольной частоты;
25 - Элемент «И»; Дешифратор;
26 - Калибратор; Индикатор;
27 - Счетчик масштабирующий;
28 - Счетчик двоично-десятичный;
29 - Дешифратор температуры;
30 - Индикатор температуры.
Перечень позиций на чертеже Фиг. 2 к заявке
Устройство измерения влажности сыпучих материалов
31 - Компаратор верхней границы;
32 - Компаратор нижней границы;
33 - Триггер RS;
34 - Транзистор;
1
2
3
R=R=R - резисторы.