УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01K13/08 

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения температуры вращающихся объектов с помощью термоэлектрических датчиков (термопар) с использованием бесконтактных токосъемников индукционного типа.

Известно устройство для измерения температуры вращающихся деталей машины, содержащее размещенные на вращающемся объекте (роторе) термоэлектрические датчики, подключенные к передающим вращающимся катушкам индуктивности по числу датчиков, неподвижно установленную приемную катушку индуктивности, которая образует с вращающимися передающими катушками бесконтактный индукционный токосъемник, и индикаторный измерительный прибор. Электрический сигнал датчика возбуждает в передающей катушке магнитное поле, которое при вращении ротора индуцирует в неподвижной приемной катушке импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна изменяемому сигналу датчика (Авт. свид. N 180833, кл. G 01 K 13/08, БИ N 8, 1966). Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная зависимостью амплитуды импульса от скорости вращения и сопротивления измерительной цепи, образованной термопарой и вращающейся передающей катушкой.

Известно также устройство для измерения температуры вращающихся объектов, содержащее размещенные на роторе датчики, подключенные к передающим катушкам индукционного токосъемника, неподвижные приемные катушки которого подключены к измерительному прибору, и две неподвижные компенсационные катушки, установленные по обе стороны от плоскости вращения ротора с передающими катушками. Компенсационные катушки электрически связаны между собой и подключены к регулируемому источнику постоянного тока (Авт. свид. N 728003, кл. G 01 K 13/08, БИ N 14, 1980). Кроме того, известно устройство, преобразующее сигналы такого индукционного токосъемника в цифровой код (Авт. свид. N 901850, кл. G 01 K 13/08, БИ N 4, 1982) и устройство с компенсационной катушкой из четырех секций (Авт. свид. N 830154, кл. G 01 K 13/08, БИ N 18, 1981).

Недостатком данных устройств является невысокая точность из-за изменения передаточной характеристики узла компенсации в условиях воздействия температур и механических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения температуры вращающихся объектов, содержащее расположенный на валу диэлектрический диск с передающими и приемно-компенсационными катушками, каждая пара которых последовательно соединена между собой и соответствующим термоэлектрическим датчиком температуры, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них и подключенные к индикаторному измерительному прибору, две секции компенсирующей катушки, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсационных катушек симметрично относительно этой плоскости, блок синхронизации, выход которого соединен с управляющим входом генератора линейно изменяющегося тока (Авт. свид. N 1619070, кл. G 01 K 13/08, БИ N 1, 1991). Приемная катушка разнесена с компенсирующей катушкой в пространстве так, что одна из передающих вращающихся катушек расположена между двумя секциями приемной катушки и соосно с ними, а соответствующая приемно-компенсационная катушка расположена между двумя секциями компенсирующей катушки на оси их симметрии. Поле компенсирующей катушки индуцирует в приемно-компенсационной вращающейся катушке постоянную ЭДС, которая вычитается из ЭДС термоэлектрического датчика температуры. О величине сигнала датчика и, следовательно, об измеряемой температуре судят по скорости нарастания тока генератора - линейно изменяющегося тока, при которой выходной сигнал приемной катушки равен нулю, т.е. при которой происходит компенсация ЭДС датчика и ЭДС, индуцируемой в приемно-компенсационной катушке.

Недостатком данного устройства является невысокая точность в большом диапазоне скоростей вращения ротора. Это обусловлено тем, что длина компенсирующей катушки составляет 4 - 6 диаметров приемно-компенсационной катушки. Поэтому при большом диапазоне скоростей вращения ротора начинают оказывать влияние краевые эффекты поля катушки. Простое увеличение длины компенсирующей катушки невозможно, поскольку поле чрезмерно длинной компенсирующей катушки будет влиять на поле приемной катушки.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения температуры вращающихся объектов, содержащем расположенный на валу вращающегося объекта диэлектрический диск с передающими катушками по числу каналов, каждая из которых последовательно соединена с соответствующим термоэлектрическим датчиком температуры и приемно-компенсационной катушкой, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них и подключенные к измерительному прибору, две секции компенсирующей катушки, витки которой расположены вдоль окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсационных катушек симметрично этой плоскости, подключенные к выходу генератора линейно изменяющегося тока, и блок синхронизации, согласно изобретению приемно-компенсационные катушки размещены на введенном в устройство дополнительном диэлектрическом диске, закрепленном на валу вращающегося объекта с пространственным разнесением по отношению к основному диску, а витки компенсирующей катушки расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек.

Поскольку витки компенсирующей катушки расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, т. е. выполнены круговой формы, то магнитное поле, наводимое компенсирующей катушкой, является равномерным по всей длине компенсирующей катушки, краевые эффекты отсутствуют и изменение скорости вращения ротора не влияет на результат измерения. Передающие и приемно-компенсационные катушки, расположенные на разных дисках, разнесены в пространстве для исключения взаимного влияния полей компенсирующей, приемной и передающих катушек, поэтому поле компенсирующей катушки не влияет на поле приемной и наоборот. При необходимости между дисками возможна установка магнитного экрана.

Автору неизвестны устройства, содержащие признаки, фигурирующие в предлагаемом изобретении в качестве отличительных, которые определяют преимущества данного устройства, а именно повышение точности путем исключения влияния скорости вращения ротора на результат измерения за счет:
а) введения дополнительного диэлектрического диска;
б) размещения на этом диске приемно-компенсационных катушек;
в) крепления дополнительного диска на валу вращающегося объекта с пространственным разнесением по отношению к основному диску для исключения взаимного влияния полей компенсирующей, приемной и передающих катушек;
г) изменения формы компенсирующей катушки, витки которой расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, т.е. компенсирующая катушка выполнена круговой формы.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - конструкция бесконтактного индукционного токосъемника; на фиг.3 - конструкция узла компенсации; на фиг.4 - временная диаграмма работы устройства.

Устройство (фиг.1, 2) содержит диэлектрический диск 1, который крепится на валу вращающегося объекта. На диске 1 равномерно по окружности установлены передающие катушки 2.1,..., 2.i,...,2n по числу датчиков. На неподвижном основании (статоре) установлена приемная катушка 3 с двумя секциями обмотки, установленными симметрично по обе стороны диэлектрического диска 1 соосно с передающей катушкой 2.i. Приемно-компенсационные катушки 4.1,..., 4.i,..., 4n расположены равномерно по окружности на дополнительном диске 5, который также крепится на валу вращающегося объекта (фиг.3). Симметрично по обе стороны от диска 5 на неподвижном статоре размещены обмотки компенсирующей катушки. Витки катушки 6 расположены вдоль окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек 4 по всей длине окружности. Диск 5 установлен на таком расстоянии от диска 1, чтобы магнитное поле компенсирующей катушки 6 не влияло на поле передающих 2 и приемной 3 катушек. Каждая пара катушек (например 2.i и 4.i) последовательно соединены между собой и подключены к соответствующему датчику 7. i. Обмотки приемной катушки 3 электрически соединены между собой согласно и подключены к входу измерительного прибора 8. Компенсирующая катушка 6 подключена к выходу генератора линейно изменяющегося тока 9 (ГЛИТ). Блок синхронизации 10 аналогичен соответствующему блоку прототипа, а также может быть выполнен по другой схеме, что не имеет принципиального значения. Выход блока синхронизации подключен к управляющему входу измерительного прибора 8. Два выхода измерительного прибора 8 подключены к соответствующим входам генератора 9 для управления им.

Описание работы устройства приведено на примере i-го канала. Постоянный ток в цепи последовательно соединенных катушек 2.i, 4.i возбуждает в них магнитное поле. Это поле при прохождении катушки 2.i, 4.i между обмотками приемной катушки 3 наводит в ней двуполярный импульс ЭДС U_у (фиг.4), который подается на измерительный прибор 8. Блок синхронизации 10 вырабатывает импульсы, из которых в измерительном приборе 8 формируется временной интервал T_глит (фиг.1, 4). В течение T_глит генератор 9 вырабатывает линейно нарастающий ток I_глит, скорость нарастания которого задается кодом N_к. Значение кода N_к формируется в измерительном приборе 8. На интервале времени T_глит в приемно-компенсационной катушке 4.i наводится постоянная ЭДС E_н, амплитуда которой будет определяться только скоростью нарастания тока в катушке 6, поскольку поле этой катушки является равномерным по всей длине окружности радиуса R (фиг.3) и катушка 4.i движется вдоль этой окружности. В приемной катушке 3 будет индуцирован сигнал U_у, амплитуда которого пропорциональна разности ЭДС термоэлектрического датчика E_xi и наведенной в катушке 4.i ЭДС E_н, т.е. E_xi - E_н. При равенстве этих ЭДС достигается их компенсация, амплитуда сигнала U_у в приемной катушке равна нулю. По скорости нарастания тока генератора 9 при достижении компенсации судят об ЭДС датчика E_xi. Следовательно, значение кода N_к в момент компенсации, т.е. когда U_у = 0, будет однозначно определять ЭДС термоэлектрического датчика E_xi, и по величине N_к определяется измеряемая температура.

Таким образом, устройство позволяет повысить точность за счет изменения формы компенсирующей катушки 6, витки которой расположены вдоль оси окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек 4.l,. ..,4.i,..., 4.n. Поэтому поле катушки 6 является равномерным по всей ее длине и наводимая ЭДС E_н принципиально не зависит от скорости вращения ротора в отличие от прототипа, когда поле компенсирующей катушки было равномерным лишь на некотором участке. Приемно-компенсационные катушки расположены на дополнительном диске, который разнесен в пространстве с основным, что исключает взаимное влияние полей передающей и компенсирующей катушек.

Сущность изобретения: на основном 1 и дополнительном 5 диэлектрических дисках, закрепленных на валу вращающегося объекта, установлены передающие 2.1,..., 2i,..., 2n и приемно-компенсационные 4.1,..., 4i,..., 4n катушки по числу термоэлектрических датчиков (7). По обе стороны дисков 1, 5 на неподвижном статоре размещены соответственно две секции приемной катушки 3, подключенные к измерительному прибору 8, и две секции компенсирующей катушки 6, подключенные к выходу генератора линейно изменяющегося тока 9. К управляющему входу измерительного прибора подключен выход блока синхронизации 10. Температура определяется по величине кода, формируемого измерительным прибором в момент равенства ЭДС термоэлектрического датчика i-го канала 7.i и ЭДС, наведенной в катушке 4.i. Повышение точности измерения достигается благодаря исключению взаимного влияния полей передающих и компенсирующих катушек, а также равномерному полю катушки 6, имеющей круглую форму. 4 ил.

Устройство для измерения температуры вращающихся объектов, содержащее расположенный на валу вращающегося объекта диэлектрический диск с передающими катушками по числу каналов, каждая из которых последовательно соединена с соответствующим термоэлектрическим датчиком температуры и приемно-компенсационной катушкой, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них и подключенные к измерительному прибору, две секции компенсирующей катушки, витки которой расположены вдоль окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсационных катушек симметрично этой плоскости, подключенные к выходу генератора линейно изменяющегося тока, и блок синхронизации, отличающееся тем, что приемно-компенсационные катушки размещены на введенном в устройство дополнительном диэлектрическом диске, закрепленном на валу вращающегося объекта с пространственным разнесением по отношению к основному диску, а витки компенсирующей катушки расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек.