Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта Советский патент 1984 года по МПК G01K13/08 

Изобретение относится к области температурных измерений и предназначено для многоканального измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар. По основному авт.св. № 972265 известно многоканальное устройство дл измерения температуры вращающегося объекта, включающее инду.чтивный токо съемник с числом вращающихся обмоток равным числу каналов устройства, ген ратор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивно го токосъемника, и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотку и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключен ную через соответствующую вращающуюс обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного ток подключенный к модуляционной обмотке последовательно соединенные согласующий блок, подключенный к измеритель ной обмотке, второй управляемый ключ и режекторный фильтр, последовательн соединенные фильтр верхних частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, первый полосовой фильтр, демодулятор и первый интегратор, пос ледовательно соединенные фильтр низких частот, подключенный к выходу ре жекторного фильтра, второй .полосовой фильтр, первьй управляемый ключ, вто . рой интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи магнитомодуляционного преобразователя, последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный к выходу генератора переменного тока, делитель частоты и преобразователь напряжение ТОК, выход которого подключен к изме рительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, а также одновибратор, вход которого подключен, к выходу делителя частоты, а выход соединен управляющим входом второго управляе мого ключа, причем выход первого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а выходы умножителя и делителя частоты подключены к управляющим входам первого управляемого ключа lj . Температура холодных спаев вращающихся термопар контролируется с помо942щью тер юрезистора, расположенного на холодном спае одной из термопар, второго индуктивного токосъемника, вращающаяся обмотка которого подключена к терморезистору, и блока измерения температуры холодного спая, подключенного к неподвижной обмотке второго индуктивного токосъемника. Недостатками описанного устройства являются невысокая точность преобразования и сравнительно большая сложность вторичной аппаратуры. Это объясняется тем, что. при дополнительной модуляции магнитного сопротивления магнитомодуляционных токосъемников прямоугольным током, подаваемым в измерительную обмотку, на фильтры вторичной аппаратуры поступает сигнал, представляющий собой. сумму прямоугольного напряжения и гармоники частоты тока модуляции. А.МПлитуда прямоугольного напряжения при этом соизмерима с амплитудой суммарного сигнала первой и высшихгармоник частоты тока модуляции. В итоге на фильтры подается фактически ступенчатое напряжение. Это приводит к возникновению переходных процессов, параметры которых зависят от амплитуды тока дополнительной модуляции и добротности полосовых фильтров, и частичной потере информации. Поскольку частота основной модуляции обычно не превышает 100 Гц, то для четкого, вьиеления информативной гармоники, например второй, необходимо использовать высокодобротные фильтры. Однако получать высокодобротный фильтр на одном активном злементе нельзя, позтому приходится использовать последовательное включение нескольких низкодобротных полосовых фильтров, что существенно усложняет вторичную аппаратуру. Кроме того, при увеличении коэффициента преобразований магнитомбдуляционньгк токосъемников путем увеличения числа витков измерительных обмоток соответственно возрастают в Ч раз индуктивности этих обмоток, где И - число витков обмотки. Это приводит к увеличению длительности пеоеодных процессов на обмотках при поаче в них прямоугольного тока дополительной модуляции, вырезка которых помощью второго управляемого ключа величивает разрывы между импульсами ыходного сигнала последнего. Полосоые фильтры при увеличении зтого раз3 11 рыва начинают возбуждаться, что ведет к появлению дополнительной погрешности преобразования тем большей, чем больше длительность вырезаемых вторым управляемым ключом переходных процессов. Целью изобретения является повышение точности измерения и упрощения устройств. Поставленная цель достигается тем, что измерительная обмотка магнитомодуляционцого токосъемника каждого канала измерения выполнена в виде двух секций, а вход согласующего блока и выход преобразователя напряже ние-ток подключены раздельно к соответствующим секциям этой обмотки. Наличие второй секции измерительной обмотки в магнитомодуляционном токосъемнике и ее подключение к выходу преобразователя напряжение - ток позволяет исключить ступенчатое изменекие выходного сигнала токосъемника, сни1 1аемого с первой секции измеритель ной обмотки, так как в последнюю могут трансформироваться только фронты прямоугольного тока и, следовательно, его влияние проявляется только в коротких выбросах, наложенных на информационный сигнал. Эти выбросы практически не вызывают переходных процессов на полосовых фильтрах, даже если не осуществляется их вырезка вторым управляемым ключом.Тем самым уменьшается погрешность преобразования информационного сигнала, так как переходные процессы на фильтрах на работу вторичной аппарату ры уже не влияют. Кроме того, появляется нозможность уменьшить число последовательно включенных фильтров с низкой добротностью, заменив их одним с высокой добротностью, что позволяет резко уменьшить аппаратурные затраты. В ряде случаев при определенны соотношениях параметров магнитомодуля ционного токосъемника и параметров. прямоуг льного тока дополнительной модуляции возможно исключение из соетава вторичной аппаратуры второго управляемого ключа и одновибратора, что также существенно упрощает вторич ную аппаратуру. На чертеже приведена блок-схема предложенного многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта (вторичная аппаратура 94 показана для одного канала преобразования) . Ус,тройство содержит магнитомодуляционные токосъемники 1, число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъемник 2 для передачи сигнала подстройки, индуктивный токосъемник 3 для контроля температуры холодного спая термопар и вторичную . аппаратуру, одинаковую для каждого канала измерения. Каждьй магнитомодуляционный токосъемник 1 В1слючает магнитопровод 4 вращающуюся обмотку 5, неподвижные обмотки: модуляционную 6 и обратной связи 7 и две секции 8 и 9 измерительной обмотки. Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 10, неподвижную обмотку 11 и ряд вращающихся идентичных обмоток 12 (например, выполненных скрученными из нескольких изолированных жил проводов), число которых равно числу каналов устройства. Индуктивньш токосъемник 3 вклю4ает- магнитопровод 13, неподвижную обмотку 14 и вращающуюся 15. Все токосъемники 1-3 могут выполняться на одном валу в виде единого блока, стыкуемого с валом вращающегося объекта или расположенного на проходной части вала вращающегося объекта, или в виде отдельных секций, валы которых механически соединяются между собой и вращающимся объектом муфтами. На вращающемся объекте расположены термопары 16, число которых равно числу каналов измерения, терморезис;тор 17 и дополнительные резисторы 18. Резисторы 18 обеспечивают требуемый режим работы термопар 16, например режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихся обмоток 5 и 12 токосъемников 1 и 2 соответственно и соединенных проводов мало.. Терморезистор 17 располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 16, и его сопротивление однозначно соответствует температуре спая. Терморезистор 17 может выполняться в виде медной или платиновой проволоки, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 16. При небольших температурах окружающей среды и холодного спая т ермопары 16 возможно использование полупроводниковых терморезисторов. Холодные спаи термо пар 16 целесообразно располагать в непосредственной близости друг от друга, чтобы они могли иметь более близкие значения температур. Терморезистор 17 подключен к вращающейся обмотке 15 индуктивного токосъемника 3 . Термопары 16 включены последовательно с вращающимися обмотками 12 индуктивного токосъемника 2 и резисторами 17 соответственно и соединены с вращающимися обмотками 5 соответст магнитомодуляционных токосъемников 1 . Неподвижная обмотка 14 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку 19 измерения температурыхолодного ,спая термопары 16. Неподвижная обмотка 11 индуктивного токосъемника 2 подключена к выходу генератора сигнала подстройки 20, представляющего собой генератор переменного напряжения стабильной частоты (2-3 кГц) и стабильной амплитуды, ток которого не влияет существенно на положение рабочей точки магнитопроводов магнитомодулядионных токосъемников 1 (единицы - десятки милливольт), Вторичная аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодуляционного токосъемника 1 одинакова для каждого канала измерения (на чертеже показана аппаратура только одного канала.), включает в себя генератор переменнЬго тока модуляции 21 стабильпой частоты и амплитуды тока, согласующий блок 22, второй управляемый ключ 23, режекторньй фильтр 24, фильт верхних частот 25, первый полосовой фильтр,, 26, демодулятор 27, первый интегратор 28, выход которого соединен с управляю щ-1м входом управляемого усилителя Z, фильтр низких частот. 30, второй полосовой фильтр 31, перт вый управляемый ключ 32,второй интегратор 33, выход которого соединен с входом управляемого усилителя 29, умножитель (удвоитель) частоты 34, делитель частоты 35,, преобразователь напряжение-ток 36, одновибратор 37 и регистратор 38, например стрелочный или цифровой прибор. Режекторньй фильтр 24 настроен на частоту тока модуляции генератора 21 Фильтр верхних частот 25 настроен так, что полоса его пропускания начинается с частоты превьииающей в несколько раз (в 3-4 раза) частоту тока модуляции генератора 20. Первый полосовой фильтр 26 настроен на частоту сигнала подстройки. Фильтр низких частот 30 настроен так, что не пропускает гармоники с частотой, превьшающей удвоен ную частоту тока модуляции генератора 20 в 2,2-2,5 раза. Второй полосовой фильтр 31 настроен на удвоенную частоту тока модуляции генератора 20. Первый управляемый ключ 32 имеет два управляющих входа, подключенных к выходам умножителя частоты 34 и делителя частоты 35.В случае, если выходной сигнал магнитомодуляционного токосъемника 1 снимается не по второй гармонике ток модуляции генератора 21, а по другой, например четвертой, то умножитель часТОТБ1-24 должен производить умножение частоты входного сигнала в 4 раза, а фильтры 30 и 31 должны быть перестроены соответствующим образом. Устройство работает следующим образом (рассматривается работа од,ного канала). Генератор переменного тока 21 создает в обмотке модуляции 6 магнитомодуляционного токосъемника 1 ток, амплитуда которого достаточна для введения магнитопровода 4 или части его в насыщение. Одновременно через секцию 9 измерительной обмотки пропускается прямоугольньй ток дополнительной модуляции со скважностью 2 и частотой в 15-20 раз меньшей, чем частота токагенератора 21. Указанньй ток дополнительной модуляции формируется с помощью цепи, включающей блоки 21, 34, 35 и 36. Кроме того, сигнал подстройки генератора 20 передается с помощью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюся цепь термопары 16 (термопара 16, вращающиеся обмотки 5 и 12 и резистор 18) . При отсутствии разницы температур ежду рабочим и холодным спаями теропары 16 развиваемая ею ЭДС равна улю и постоянный ток во вращающейся епи не протекает. При этом с первой екции 8 неподвижной измерительной бмотки магнитомодуляционного токоъемника 1 наводится ЭДС,состоящая из армоники частоты подстройки, гармоик ЭДС частоты тока модуляции и выросов, наводимых в секции 8 фронтаи прямоугольного тока дсдалпнитбльНОИ модуляции, протекающего в секции 9. Указанный проходит согласу ющий блок 22 и поступает на вход BTQ рого управляемого ключа 23, который управляется одновибратором 37, синхронизированным от делителя частоты 35, Ключ 23 оказывается запертым на часть периода прямоугольного тока.до полнктельной модуляции,, формируемого блоком 36. Поэтому выбросы, наводимые в секции 8 фронтами прямоугольно го тока дополнительной модуляции, вы резаются. Длительность вырезаемой части периода регулируется с помощью подстройки одновибратора 37. При определенных режимах работы (невысокая крутизна фронтов прямо;угольно модуляции В секции 9, опре деленное соотнощение чисел витков секций 8 и 9) амплитуда и длительность выбросов, вызываемых фронтами тока дополнительной модуляции, оказы ваются небольшими. Позтому они не Ъказывают заметного влияния «а работ остальной части вторичной аппаратуры и необходимость в их вырезке отпадает. В этом случае блоки 37 и 23 не нужны и их можно исключить из состава вторичной аппаратуры, осуществлено ее упростив. Разрывы выходного сигнала второго управляемого ключа 23, как правило, невелики и на работе фильтров 24, 25, .26, 3.0 и 31 практически не сказы ваются, а наличие интеграторов 28 и 33 полностью исключает влияние этик разрывов на работу устройства в целом. Сигнал с выхода блока 23 поступает на вход режекторного фильтра 24, который подавляет первую гармонику тока модуляции генера.тора 21. Далее сигнал поступает на входы фильтра верхних частот 25 и фильтра низких частот 30. Фильтр верхних частот 25, первый полосовой -фильтр 26, демодулятор 27 и интегратор 28 вьделяют модулирован ньш по амплитуде сигнал частоты подстройки, вьзделяют и сглаживают его огибающую, которая затем подается на управляющий вход управляемого уси лителя 29. Значение коэффициента уси ления усилителя 29 определяется сред ним значением амплитуды огибающей сигнала подстройки. 11 АS Одновременно фильтр низких частот 30 и второй полосовой фильтр 31 выделяют вторую гармонику тока модуляции генератора 21, промодулированную низкочастотным прямоугольным напряжением тока дополнительной модуляции, формируемым блоком 36. Модуляция осуществляется посредством взаимодействия магнитных полей основной и дополнительной модуляции в магнитопроводе 4 магнитомодуляционного токосъемника 1. Вьщеленное напряжение второй гармоники тока модуляции генератора 21 поступает на вход первого управляемого ключа 32. На управляющие входы его подаются низкочастотное прямоугольное напряжение с выхода делителя частоты 35 и прямоугольное напряжение удвоенной частоты модуляции с выхода умножителя частоты 34. Поэтому ключ 31 в течение одного полупериода низкочастотного напряжения работает как инвертирующий детектор, а в течение другого полупериода - как неинвертирующий. Форма напряжения на входе первого управляемого ключа 32 при отсутствии разности температур между спаями термопары 16 и отсутствии остаточной намагниченности материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 представляет собой отрицательные и положительные прямоугольники низкочастотного напряжения дополнительной модуляции, заполненные полуволнами синусоид напряжений второй гармоники частоты тока модуляции генератора 20. При указанных условиях площади положительной и отрицательной полуволны должны быть одинаковы, поэтому на выходе второго интегратора 33 присутствует нулевой сигнал. Соответственно через регистратор 38 ток по обмотке обратной связи 8 магнитомодуляционного токосъемника 1 не протекает. В случае, если остаточная намагниченность материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 отлична от нуля, то остаточный магнитный поток либо суммируется в один из полупериодов низкочастотного магнитного потока, создаваемого прямоугольным током в секции 9, либо вычитается из него в.другой полупериод. Это приводит к появлению разности площадей положительного и отрицательного пря--. мругольников низкочастотного напряжения после первого управляемого ключа 32. Пропорциональное разности этих площадей напряжение с выхода интегра тора 33 усиливается усилителем 29, и ток, протекающий через регистратор 38 по обмотке обратной связи 7 магни томодуляционного токосъемника 1, компенсирует этот ложный сигнал. Поэтому после прогрева аппаратуры перед началом измерений должен выставляться ноль у регистратора 38, При появлении разности температур между спаями термопары 16 во вращающейся цепи протекает постоянный ток, пропорциональный этой разности. В со ответствии с принципом работы магни-. томодуляционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровня второй гар моники тока модуляции генератора 21 в спектре его выходного сигнала на секции 8 неподвижной измерительной обмотки. Изменение амплитуды второй гармоники приводит к соответствующему изменению глубины модуляции ее низкочастотным прямоугольным током в секции 9. Соответственно соотношение площадей отрицательного и положительного прямоугольников низкочастотного напряжения на входе второго управляемого ключа изменяется, на выходе второго интегратора 33 появляется постоянное напряжение, значение которого пропорционально разности площадей прямоугольников на выходе второго управляемого ключа 32 (или разности температур между спаями термопары 16), а знак зависит от направления постоянного тока термопары 16 во вращающейся обмотке 5. Это напряжение преобразуется управляемым усилителем 29 в ток, которьм через регистратор 38 заводится в обмотку обратной связи 7 магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсируя магнитный поток, развиваемьй током термопары 16 во вращающейся обмотке 5. Значение постоянного тока, протекающего через регистратор 38 в обмотке обратной связи 7, однозначно соответствует разности температур между спаями термопары 16. Окончательное определение темпепатуры вращающегося объекта в месте закладки термопары 16 производится с учетом значение температуры холодного токосъемника 3 и блока измерения 19. Блок измерения 19 температуры холодного спая .термопары 16 может быть выполнен по известной схеме с трансформацией сопротивления или с емкостными токосъемниками. Изменения коэффициентов.преобразования индуктивного токосъемника 2 или магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменениях температуры окружающей среды, приводящих к изменению активных сопротивлений обмоток, изменению магнитных свойств материала магнитопроБода, воздушных зазоров и т.п., компенсируются с помощью цепи преобразования сигнала подстройки, включающего блоки 22-29. При этом изменения уровня огибающей cifrHassa. подстройки на входе первого интегратора 28 с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемого усилителя 29, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффи1щент передачи тракта, включающего магнитомодуляционный токосъемник 1, линию связи, блоки 22, 23, 24, 30, 31, 32, 33 и 29, оставался Постоянным. Тем самым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрешности преобразования . Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуляционнЬго токосъемника 1 устраняется с помощью дoпoлнитeльнdй модуляции, осуществляемой с помощью цепи, состоящей из блоков 21, 34, 35, 36 и секции 9 измерительной обмотки. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательного и положительного прямоугольников после первого управляемого ключа 32 (.одинаковое уменьшение или одинаковое увеличение) при изменении магнитных свойств при колебаниях температуры, так что разность их остается постоянной. Таким образом, предложенное устройство имеет повышенную точность преобразования по сравнению с прототипом и более простую структуру вторичной аппаратуры благодаря исключению переходных процессов на полосовых фильтрах и возможности их упрощения, а в ряде случаев и исключения одновибратора и второго управляемого ключа. Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить очность и достоверность определения запасов прочности у разрабатываемых

11. 110309412

объектов новой техники специальногодвигателестроение и т.п.), позволяет

назначения, газотурбинных двигателей,оптимизировать производственные провращающихся печей, ультрацентрифуг ицессы,и получить значительное колит.п. при проведении их эксперименталь-чество дополнительной продукции без

ных исследований и доводке. Использо- 5капитальных вложений, вание устройства в различных отрас-.

лях промыишенности, где требуется Погрешность измерения температуры осуществлять непрерывньй контрольвращающегося объекта с помощью предтемпературы вращающихся объектовлагаемого устройства меньше погрешнос(энергетика, промьщшенность строи- JQти прототипа на 0,5-0,6% в типичных тельных материалов, нефтехимия, химия,режимах работы.

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА по авт.св. № 97226S, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения и упрощения устройства, измерительная обмотка магнитомодуляционного токосъемника каждого карала измерения выполнена в виде двух секций, а вход согласующего блока и выход преобразователя напряжение - ток подключены раздельно к соответствующим секциям этой обмотки. 3