Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта Советский патент 1985 года по МПК G01K13/08 

второго управляемого ключа , ачен

выход согласующего блока подклю-ра.

к входу режекторного фильт

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенньй к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотки, обмотки обратной связи и дополнительной модуляции, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, включающую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, последовательно соединенные режекторный фильтр, фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, первый выпрямитель, первый интегратор, подключенный к управляющему входу управляемого усилителя, нагруженного через регистратор на обмотку обратной связи, фильтр низких частот подключенный к выходу режекторного фильтра, первый и второй управляемые ключи, второй полосовой фильтр и второй интегратор, подключенный к входу управляемого усилителя, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, последовательно соединенные делительчастоты и преобразователь напряжениеток, нагруженный на обмотку дополнительной модуляции, причем выход делителя частоты подключен к управлякщему входу первого управляемого л ключа, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности и уменьшения погрешности преобразования, во вторичную аппаратуру каждого канала введены коммутатор, третий полосовой фильтр, второй и третий выпрямители и сумматор, при зтом второй полосовой фильтр, второй СП выпрямитель и первый управляемый ключ j;:. соединены последовательно, третий . СП полосовой фильтр, третий выпрямитель , У1 и второй управляемый ключ соединены также последовательно, выходГ фильтра 05 низких частот подключеУ к входу коммутатора, входы второго и третьего полосовых фильтров подключены к -выхо дам коммутатора, выходы первого и второго управляемых ключей соединены с входом сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, выход делителя частоты соединен с управляющими входами коммутатора и

Изобретение относится к темпера

турным измерениям и предназначено для многоканального измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар.

Известны многоканальные устройства для измерения температуры вращающегос объекта с помощью термопар, сигнал которых преобразуется на вращаюп1емся объекте с помощью дополнительных преобразователей (источников питания, усилителей, модуляторов, преобразователей напряжение-частота и т.п.) в переменньй сигнал, который затем передается на неподвижную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств или по радио- и оптическому каналам 1 .

Точность измерения температуры с помощью этих устройств сравнительно невелика, так как активные дополнительные преобразователи, расположенные на вращающемся объекте, вносят при преобразовании сигналов термопар дополнительные погрешности. Кроме того, указанные активные дополнительные преобразователи выполняются, как правило, на полупроводниковых элементах, что ограничивает максимальную температуру окружакицей среды (125150 С), а погрешности измерения составляют при этом не менее 5%. .

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную обмотки, обмотки.обратной связи и дополнительной модуляции а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке к выходу которого подключены последовательно соединенные второй управляемый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтр верхни частот, первый полосовой фильтр, демодулятор и первый интегратор, также последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фильтр, первый управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, кроме того, последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный к выходу генератора переменного тока, делитель частоты и преобразователь напряжение-ток, выход которого подключен к обмотке дополнительной модуляции, и одновибратор, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход соединен с управляющим входом второго управляемого ключа, при этом выход первого интегратора подключен к управляющему вход управляемого усилителя, а управляющи входы первого управляемого ключа подключены к выходам умножителя и делителя частоты соответственно J

Недостатками известного устройства являются сравнительно невысокая чувстэительность и значительная погрешность преобразования. Это вызвано тем, что при смене полярности тока дополнительной модуляции происходит резкое изменение уровня второй гармоники тока основной модуляции, являющегося информативным параметром, на неподвижной измерительной обмотке. При прохождении этих колебаний через второй полосово фильтр, который, как правило, должен выполняться высокодобротным, происхо дит осреднение уровня второй гармоники, что вызывает дополнительную погрешность, значение которой пропорционально величине изменений уров ня- второй гармоники и добротности полосового фильтра. Цель изобретения - увеличение чувствительности и уменьшение погрешности преобразования устройства. Для достижения поставленной цели в многоканальном устройстве для измерения температуры вращающегося объекта, включающем индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащем в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотки , обмотки обратной связи и дополнительной модуляции, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответств тощую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, включающую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, посследовательно соединенные режекторный фильтр-, фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, первый выпрямитель первьй интегратор, подключенный к управляющему входу управляемого усил теля, нагруженного через регистратор на обмотку обратной связи, фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, первый и второ управляемые ключи, второй полосовой фильтр и второй интегратор, подключенный к входу управляемого усилител генератор переменного тока, подключенный к молуляционной обмотке, посл довательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение-то нагруженный на обмотку дополнительно модуляции, причем выход делителя час тоты подключен к управляющему входу первого управляемого ключа, во втори аппаратуру каждого канала введе HV коммутатор, третий полосовой фильтр,второй и третий выпрямители и сумматор, при этом второй полосовой фильтр, второй выпрямитель и первый управляемый ключ соединены последователь но, третий полосовой фильтр, третий выпрямитель и второй управляемый ключ соединены также последовательно, выход фильтра низких частот подключен к входу коммутатора, входы и третьего полосовых фильтров подключены к выходам коммутатора, выходы первого и второго управляемых ключей соединены с входом сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного -тока, выход делителя частоты соединен с управляющими входами коммутатора и второго управляемого ключа, а ВБПСОД согласующего блока подключен к входу режекторного фильтра. На фиг, 1 приведена функциональная схема многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования) ; на фиг. 2 и 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства. Устройство содержит (фиг. 1) магнитомодуляционные токосъемники 1, число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивньй токосъемник 2 для передачи сигнала подстройки, индуктивный токосъемник 3 для контроля температуры холодного спая термопар и вторичную аппаратуру.. Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1 включает магнитопровод 4, вращающуюся сигнальную обмотку 5 и ряд неподвижных обмоток - измерительную 6, модуляционную 7, дополнительной модуляции 8 и обратной связи 9, 1 Индуктивньш токосъемник 2 включает магнитопровод 10, неподвижную обмотку 1 1 и ряд вращающихся идентичных обмоток 12 (например, скрученных в один провод из нескольких жил), число которых равно числу каналов устройства. Индуктивньй токосъемник 3 включает магнитопровод 13, неподвижную 14 и вращающуюся 15 обмотки. На вращающемся объекте расположены термопары 16, число которых равно числу каналов измерения, терморезнстор 17 и дополнительные резисторы 18, Последние 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 соединительных проводов мало, Терморезистор 17 распопагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 16 и его сопротивление однозначно соответствует температуре спая. Терморезистор 17 может выполняться в виде проволоки из меди или платины, намотанной на холодньй спай термопары 16, При небольших температурах холодного спая термопары 16 возможно использование полупроводниковых терморезисторов. Холодные.спаи термопар 16 должны располагаться в непосредственной близости один от другого, чтобы они имели возможно более близкие значения температур, терморези-, стор 17 подключается к вращающейся обмотке 15 индуктивного токосъемника 3, Каждая из термопар 16 включена последовательно с соответствующей вращающейся обмоткой 12 индуктив ного теплосъемника 2 и разистором 18 и соединена с вращающейся обмоткой 5 соответствующего индуктивного токосъемника 1 , Неподвижная обмотка 14 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку 19 измерения температуры холод ного спая термопары. Неподвижная обмотка 1 t индуктивкого токосъемника 2 подключена к выходу генератора 20 сигнала подстро ки, который представляет собой генер тор переменного напряжения стабильно частоты (2-3 кГц) и стабильной ампли туды, значение которой существенно не влияет на магнитное состояние маг нитопроводов магнитомодулядионных токосъемников 1 (единицы-десятки милливольт), Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодуляционных токосъемников 1, одинаковая для каждого канала измерения (на фиг, 1 показана аппаратура только одного кана ла), содержит генератор 21 переменно го тока модуляции делитель 22 часто ты, преобразователь 23 напряжение-то согласующий блок 24, режекторный фштьтр 25, фильтр 26 верхних частот, первьА полосовой фильтр 27, первый вьтрямитель 28, интегратор 29, управ ляемый усилитель 30 мощности, фильтр 31 нижних частот, коммутатор 32, второй полосовой фильтр 33, второй выпрямитель 34, второй управляемый ключ 35, третий полосовой фильтр 36, третий выпрямитель 37, третий управляемый ключ 38, сумматор 39, второй интегратор 40 и регистратор 41 тока. Делитель 22 частоты имеет коэффициент деления 8-10, Режекторный фильтр 25 подавляет первую гармонику тока основной модуляции генератора 21 . Фильтр 26 верхних частот имеет частоту среза в 2-3 раза меньше частоты сигнала подстройки генератора 20, Полосовой фильтр 27 настроен на частоту сигнала подстройки, фильтр 31 низких частот имеет частоту среза в 2-3 раза вьпие частоты второй гармоники тока основной модуляции генератора 21, Второй 33 и третий 36 полосовые фильтры настроены на часто ту второй гармоники тока основной модуляции генератора 21, В случае, когда выходной сигнал магнитомодуляционного токосъемника 1 снимается не по второй гармонике тока основной модуляции генератора 21, а по другой, например по первой, третьей или четвертой гармонике, то фильтры 26, 31, 33 и 36 должны быть перестроены соответствующим образом. Генератор 21, деталь 22, преобразователь 23 соединены последовательно, причем выход генератора 21 подключен к модуляционной обмотке 7, а выход преобразователя 23 - к обмотке 8 дополнительной модуляции, Согласуюп ий блок 24, фильтры 25, 26 и 27, выпрямитель 28, интегратор 29 соединены последовательно, причем вход блока 24 подключен к измеритель ной обмотке 6, а выход интегратора 29 - к управляющему усилителю 30, Вход фильтра 31 соединен с выходом фильтра 25, а выход - с входом коммутатора 32, К выходам коммутатора 32 подключены две одинаковые цепи послвдс«ательно соединенных элементов, В первую и вторую цепь входят фильтры 33 и 36, выпрямители 34 и 37 и ключи 35 и 38 соответственно, С5 матор 39, интегратор 40, усилитель 30 соединены последовательво, причем входы сумматора 39 подключены выходам ключей 35 и 38, а выход усилителя 30 через регистратор 41 нагружен на обмотку 9 обратной связи. Управляющие входы коммутатора 32,- и ключей 35 и 38 соединены с выходом делителя 22. Устройство работает следующим образом (при работе одного канала измерения температуры). Ток генератора 21, протекающий по модуляционной обмотке 7 токосъемника 1, создает магнитньгй поток в магнитопроводе 4, достаточный для насыщения одного из участков магнитной цепи. Через обмотку 8 дополнительной модуляции протекает прямоугольный ток со скважностью, равной двум, формируемый с помощью цепи, состоящей из блоков 21-23. ОДновременно 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). В неподвижной измерительной обмот ке 6 магнитомодуляционного токосъемника 1 наводится ЭДС, состоящая из четных и нечетных гармоник тока основной модуляции генератора 21 и сигнала подстройки, промодулированных низкочастотным прямоугольным напряжением тока дополнительной моду ляции. Формы сигнала на измерительно обмотке 6 ( llg ) приведена на фиг. 2а Указанный сигнал проходит согласующий блок 24 и поступает на вход режекторного фильтра 25, который подавляет первую гармонику частоты тока основной модуляции. Далее сигнал поступает на входы фильтров верхних 26 и низких 31 частот. Фильтр 26 выделяет сигнал подстройки, который затем усиливается полосовым активным фильтром 27, демодулируется выпрямителем 28, сиг нал огибающей интегрируется интегра тором 29 и заводится на управляющий вход управляемого усилителя 30 мощности, коэффициент усиления которог таким образом, определяется уровнем огибающей сигнала подстройки. Фильтр 31 низких частот выделяет сигнал второй гармоники тока основн модуляции (информативный сигнал), к торый затем подается на вход коммут тора 32. . Последний управляется от делителя 22 частоты и в течение пол периода входной сигнал второй гармоники подается на вход второго полос вого фильтра 33, а в течение другог на вход третьего полосового фильтра Тем самым производится разделение информативного сигнала на два канала преобразования, в однониз которых производится преобразование сигнала в положительный полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции, а в другом - в отрицательный полупериод. Форма входного сигнала второго полосового фильтра 33 (Ujj) и форма входного сигнала третьего полосового фильтра 36 ( эб) приведены на фиг. 26,в| соответственно. Далее усиленный сигнал второй гармоники выпрямляется в каждом канале вторым 34 и третьим 37 выпрямителями и поступает на входы первого 35 и второго 38 управляемых от делителя 22 ключей, которые срезают переходные процессы, появляющиеся после полосовых фильтров 33 и 36 соответственно. Сигналы с выходов первого 35 и второго 38 управляемых ключей поступают на вход сумматора 39. В случае, когда разность температур между спаями термопары 16 равна нулю и отсутствует остаточная намагниченность магнитолровода 4 магнито-: модуляционного токосъемника 1, уровня второй гармоники тока основной модуляции в каждый полупериод дополнительной низкочастотной модуляции равны, так как рабочие точки магнитопровода 4 имеют одинаковое положение. В этом случае форма входного сигнала сумматора имеет вид, приведенный на фиг. За. Поэтому на выходах сумматора 39, интегратора 40 и управляемого усилителя 30 мощности сигнал отсутствует и ток компенсации в обмотке 9 обратной связи через регистратор 41 не протекает. При появлении разности температур между спаями термопары 16 во вращающейся цепи протекает постоянный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии с принципом работы магнитомодуляционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровня торой гармоники тока основной модуляции на измерительной обмотке 6. Поскольку производится дополнительная модуляция низкочастотным прямоугольньм током, то постоянный магнитный поток, созданный развиваемой термопарой 16 ЭДС,. в один полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции суммируется с магнитным потоком дополнительной модуляции, а в другой - вычитается. Это вызывает увеличение второй гармоники в один из

полупериодов и уменьшение в другой, и форма входного сигнала сумматора 39 имеет вид, приведенный на фиг. 36

(и;,).

Разность напряжений положительной 5 и отрицательной полуволн интегрируется интегратором АО и преобразуется управляемым усилителем 30 в ток, которьй через регистратор 41 поступает в обмотку 9 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсируя магнитньй поток, созданный вращающейся обмоткой 5. Значение тока компенсащни в обмотке 9 обратной связи однозначно соответствует раз- 5 «ости температур между спаями термопары 16,Окончательно определение температуры вращакицегося объекта в месте закладки термопары 1 производится 20 с учетом значения температуры холодного спая, определяемого с помощью терморезистора 17, индуктивного токосъемника 3 и блока 19 измерения.

Изменение коэффициента преобраЗования магнитомодуляциокного токосъемника 1 при изменениях температуры окружающей среды, приводящих к изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров и 30 T.ft.v компенсируется с помощью цепи преобразования сигнала подстройки, включакядей блоки 26-30. При этом измене ния уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 29 jj с обратным знаком подаются на управлянлщй вход управляемого усилителя 30, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы козффии.иент

передачи тракта, включающего магнитомодуляционньй токосъемник 1, линию связи, согласующий блок 24, режекторный фильтр 25, фильтр 31 низких частот, коммутатор 32, полосовые фильтры 33 и 36, выпрямители 34 и 37, управляемые ключи 35 и 38, сумматор 39, интегра; тор 40 и управляемьй усилитель 30 мощности, оставался постоянным, тем самым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных Составляющих погрешности преобразования.

Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 устраняется с помощью метода преобразования, включающего дополнительную модуляцию, реализуемую с помощью блоков 21, 22, 23, 32, 33 и 36, 34 и 37, 35, 38 и 39. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной полуволн низкочастотного напряжения после управляемых ключей 35 и 38 при изменении магнитных свойств магнитопровода, вызванных колебаниями температуры. Несмотря на то, что площади полуволн меняются, разность их при изменении параметров окружающей ; среды остается постоянной.

Таким образом, предлочсенное устройство по сравнению с известным за счет введения двух каналов преобразования имеет повышенные чувствительность и -очность.

Фl/г,f

b

2

/,

39

к;