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

ны к выходу делителя частоты, а вход реласующего блока.

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТЮЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке иидуктивного токосъемника, и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопролод и неподвижно располо :сенные измерительную, модуляционную, дополнительную модуляционную обмотку и сбмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, включающую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, последовательно соединенньш режекторный фильтр, фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, первый выпрямитель и первый интегратор, последовательно соединенные второй интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение-ток, нагруженный на дополнительную модуляциэнную обмотку, фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, последовательно соединенные второй полосовой фильтр и первый управляемый ключ, генератор переменного тока, нагруженный на модуляционную обмотку, а также второй управляемый ключ, причем выход пер вого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а )равляющий вход первого управляемого ключа подключен к выходу делителя частоты, отличающееся тем, что, с целью уменьщения погрешности преобразования и увеличения чувствительности, в каждый канал вторичной (Л аппаратуръ введены коммутатор, третий полосовой; фильтр, последовательно соединенные первая линия задержки, первый сумматор и второй выпрямитель, последовательно соединенные вторая линия задержки, второй сумматор и третий выпрямитель, в также третий сумматор, при этом вход коммутатора ел подключен к выходу фильтра низких частот, входы второго и третьего полосовых фильтров Л подключены к первому и второму входам :л коммутатора, выход третьего полосового фильтра подключен к входу второго управляемого ключа, выходы первого и второго управляемых ключей подключены к входу первой линии задержки и второму входу первого сумматора и к входу второй линии задержки и второму входу второго сумматора соответственно, выходы второго и третьего выпрямителей подключены к входам третьего сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, управляющие входы коммутато

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля температуры роторов крупных гидрогенерато ров, электрических машин, авиадвигателей, а также в тех отраслях промышленности, где необходим контроль температуры вращаю щихся частей оборудования при повышенных температурах в месте расположения Токосьемного узла. Известны устройства jcyiH бесконтактного контроля температуры вращающихся объектов с помощью тер|иопар, у которых на вращающемся объекте находится преобразова тель напряжение -частота, питающее устройство, излучающая антенна, а на неподвижном приемное устройство и аппаратура обработки сигнала 1. Однако такие устройства имеют ограниченный диапазон рабочих температур - до iOO120 С, опредепяемый максимальной рабочей температзфой микрозлектронных узлов. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, нагруженный на неподвижную обмотку индуктивного токосъемника, и несколько одинаковых каналов преобразования температуры. Каждый канал включает магнитомодуляпйЪнный токосъемник состоящий из магнитопровода, вращающейся обмотки, подключенной через соответствуюii yto обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, расположенной на вращающемся объекте, и неподвижных измерительной, модуляционной, дополнительной модулящгонной обмоток и обмотки обратной связи. Вторичная аппаратура каждого канала содержит последо вательно соединенные согласующий блок, пер вый управляемый ключ, режекторный фильтр фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, демодулятор, первый интегратор, последовательно соединенные фильтр нижних частот, второй шолосовой фильтр, второй управ ляемый ключ, второй интегратор, управляемы усилитель, регистратор, последовательно соеди ненные генератор переменного тока, умножитель частоты, делитель частоты и преобразователь напряжение-ток. К измерительной ч., обмотке магнитомодуляционного токосъемника подключен вход согласующего блока, а к дополнительной модуляционной обмотке - вы ход преобразователя напряжение-ток. Выход первого интегратора подсоединен к управляющему входу управляемого усилителя, вход фильтра нижних частот - к выходу режекторного фильтра, генератор переменного тока нагружен на модуляционную обмотку магнитомодуляционного токосъемника. Между первым управляемым ключом и делителем частоты включен одновибратор, а к управляющим входам второго управляемого ключа подсоединены выходы умножителя и делителя частоты 2. Недостатком известного устройства является сравнительно большая погрешность преобразования. Это вызвано тем, что при смене полярности тока дополнительной модуляции происходит резкое изменение уровня второй информативной гармоники тока основной модуляции. Высокодобротный полосовой фильтр, необходимый для выделения малого сигнала второй гармоники, из-за большой постоянной времени усредняет изменение уровня второй гармоники, вызывая дополнительную погрещность преобразования. Цель изобретения - уменьшение погрешности преобразования и увеличение чувствительности 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, магнитомодулядаонный токосъемник, включающий игнитoпpoвoд и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную, дополнительную модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающую ся 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 и первый интегратор, последовательно соединенные второй интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение-ток, нагруженный на дополнительную модуляционную обмотку, фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, последовательно соединенные второй полосовой фильтр и первый управляемый ключ, генератор переменного тока, нагружённый на модуляционную обмотку, а также второй управляемый ключ, причем выход первого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а управляющий

вход первого, управляемого ключа подключен к выходу делителя частоты, в каждый канал вторичной аппаратуры введены коммутатор, третий полосовой фильтр, последовательно соединенные первая линия задержки, первый сумматор и второй выпрямитель, последовательно соединенные вторая линия задержки, второй сумматор и третий выпрямитель, а также третий сумматор, при этом вход коммута тора подключен к выходу фильтра низких частот, входы второго и третьего полосовых фильтров подключены к первому и второму П1.1ходам коммутатора, выход третьего полосового фильтра подключен к входу второго управляемого ключа, выходы первого и второго управляемых ключей подключены к входу . первой пинии задержки и второму входу первого сумматора и к входу второй линии задержки и второму входу второго сумматора соответственно, выходы второго и третьего выпрямителей подключены к входам третьего сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, управляющие входы коммутатора и втор го управляемого .ключа подключены к выходу делителя частоты, а вход режекторного фильтра соединен с выходом согласующего блока.

На фиг. 1 приведена функциональная схема многоканального устройства для измерения температуры врап1а1ощегося объекта (вторичная аппаратура показана для одного канала лреобразования); на фиг. 2 и 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устроГютва.

Устройство (фиг. 1) содержит магиитомодуляционные токосъемники 1, число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъемник 2 для передачи сигнала подстройки, индук тивный токосъемник 3 для контроля температуры холодного спая термопар и вторичную аппаратуру.

Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1 включает магнитопровод 4, вращающуюся обмотку 5 и ряд неподвижных обмоток - измерительную 6, модуляционную 7, обратной связи 8 и дополнительную модуляционную 9.

Инд тивный токосъемник 2 включает магнитопровод 10, неподвижную обмотку 11 и ряд вращающихся идентичных, обмоток 12, число которых равно числу каналов устройства.

Индуктивный токосъемник 3 включает магнитопровод 13, неподвижную 14 и вращающую ся 15 обмотки.

На вращающемся объекте расположены термопары 16, число которых равно числу каналов измерения, терморезистор 17 и дополнительные резисторы 18. Последние обеспечивают требуемый режим работы термопар 16, напри мер режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихся обмоток 5 и 12 мало. Терморезистор 17 располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 16 и его сопротивление однозначно соответствует температуре спая. Он может быт йыполнен в виде проволоки из меди или платины, намотанной на холодный спай термопары 16. Терморезистор 17 подключается к вращающейся обмотке 15 индуктивного токосьемника 3. Каждая из термопар 16 включена последовательно с соответствующей вращающейся обмоткой 12 индуктивного 1 токосъемника 2 и резистором 18 и соединена с вращающейся обмоткой 5 соответствующего магнитомодуляционного токосъемника 1. Неподвижная обмотка 14 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку 19 измерения температуры холодного спая термопары 16.

Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодулящюнных токосъемников Г одинаковая для каждого канала измере1П1я (на фиг. 1 показана функщюнальиая схема одного канала), содержит генератор 20 переменного тока основной модуляции, делитель 21 частоты, преобразователь напряжение- . ток 22, согласующий блок 23, режекторный фильтр 24, фильтр 25 верхних частот, первый полосовой фильтр 26, первый выпрямитель 27, первый интегратор 28, фильтр 29 низких частот, коммутатор 30, второй 31 и третий 32 полосовые фильтры, первый 33 и второй 34 управляемые ключи, пер.вую 35 и вторую 36 линии задержки, первый 37 и второй 38 сумматоры, второй 39 и третий 40 выпрямители, третий сумматор 41, второй интегратор 42J- управляемый усилитель 43, регистратор 44.

Кроме того, устройство содержит генератор 45 сигнала подстройки.

Делитель 21 частоты имеет коэффициент деления 10-12. Режекторный фильтр 24 настроен на первую гармонику тока основной модуляшш генератора 20. Фильтр 25 верхних частот имеет частоту среза, в 3-4 раза ниже частоты сигнала подстройки. Полосовой фильтр 26 настроен на частоту генератора 45 сигнала подстройки. Фильтр 29 низких частот имеет частоту среза, в 3-4 раза выше частоты тока основной модуляции. Второй 31 и третий 32 полосовые фильтры настроены на частоту второй гармоники тока основной модуляции генератора 20.

Генератор 20, делитель 21 и преобразовател 22 соединены последовательно, причем выход генератора 20 подключен к моод ляиионной обмотке 7, а выход преобразователя 22 к дополнительной модуляционной обмотке 9. Согласующий блок 23, фильтры 24 26, выпрямитель 27; интегратор 28 соединены последовательно, причем вход блока 23 соединен с измерительной обмоткой 6, а выход интегратора 28 - с управляющим входом усилителя 43. Вход фильтра 29 соединен с выходом фильтра 24, а выход - с входом коммутатора 30. К выходам коммутатора 30 гюдклгочены две одинаковые цепи последовател но соединенных элементов.В первую и вторую цепь входят фильтры 31 и 32, ключи 33 и линии 35 и 36 задержки, сумматоры 37 и 38, выпрямители 39 и 40, соответственно, причем выходы ключей 33 и 34 дополнительно соединены с вторыми входами сумматоров 37 и 38 соответственно. Сумматор 41, интегратор 42, усилитель 43 соединены последователь но, npHieM входы сумматора 41 подключены к выходам выпрямителей 39 и 40, а выход усилителя 43 через регистратор 44 загружен на обмотку 8 обратной связи. Управляющие входы коммутатора 30 и ключей 33 и 34 соединены с выходом делителя 21. Выход генератора 45 соединен с неподвижной обмоткой 11 токосъемника 2..

Устройство работает следующим образом (при работе одного канала измерения температуры).

Генератор 22 тока основной модуляции создает в модуляционной обмотке 7 токосъемника 1 ток, Создающий магнитный поток в магнитопроводе 4, достаточный tio величине для насыщения одного из участков магнитной цепи. В обмотку 9 дополнительной модуляции с выхода преобразователя 22 напряжение - ток синхронно с частотой тока основной модуляции портупает ток прямоугольной формы.. Эти прямоугольники тока имеют одинаковую амплитуду и скважность, равную 2, т.е. одинаковую длительность. Величина магнитного потока, создаваемого прямоугольным током дополнительной модуляции должна быть обязательно больше максимальной величины магнитного потока, создаваемого термопарой 16, чтобы исключить неоднозна ность показаний. Сигнал подстройки от генератора 45 сигнала подстройки через первый индуктивный токосъемник 2 подается на вращающийся объект в цепь термопары 16 и проходит через магнитомодуляционный токосъемник 1.

Таким образом, в измерительной обмотке 6 наводится как информативный, так и сигнал подстройки.

Режекторный фильтр 24 подавляет первую гармонику частоты тока основной модуля1даи, которая является паразитной трансформаторной ЭДС, наведенной потоками рассея 1ия тока основной модуляции в измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника 1.

Фильтр 25 верхних частот и полосовой фильтр 26 выделяют сигнал подстройки, который после преобразования первым выпрямителем 27 и первым интегратором 28 поступает на управляющий вход управляемого усилителя 43, изменяя его выходной сигнал таким образом, чтобы при изменении сопротивлений {4 оводов обмоток и магнитной проницаемости материала магнитопровода из-за изменения температуры не изменялся козффициент передачи устройства.

Фильтр 29 низких частот отделяет информационный сигнал от сигнала подстройки. Форма сигнала на выходе фильтра 29 низких частот локазайа на фиг. 2а. Коммутатор 30 разделяет информативный сигнал на две части и дальнейшее преобразование происходит по двум каналам. Один канал получает информацию в положительный полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции, другой - в отрицательный. Информационные сигналы фильтруются вторым 31 и третьим 32 полосовыми фильтрами (фиг. 2б,в7, переходные процессы в высокодобротных фильтрах вырезаются первым 33 и вторым 34 управляе мыми ключами соответственно. На один из входов первого сумматора 37 поступает информативный сигнал в положительный полупериод тока дополнительной модуляции, на другой вход - згот же сигнал, задержанный на полупериод тока дополнительной модуляции. Аналогично на один из входов второго сумматора 38 поступает информативный сигнал , в отрицательный полупериод тока - допол нительной модуляции, а на другой - зтот же сигнал, задержанный на полупериод тока

дополнительной модуляции. Таким образом, через второй выпрямитель 39 тфоходят только сигналы положительного полупериода тока дополнительной модуляции, а через третий выпрямитель 40 - только отрицательного

полупериода тока дополнительной модуляции.

Второй выпрямитель 39 является неинвертирующим выпрямителем (форма сигнала на выходе второго выпрямителя 39 показана на фиг. За), а третий выпрямитель 40 инвертирующим выпрямителем ( форма сигнала на выходе третьего выпрямителя 40 показана на фиг.36).

При отсутствии постоянного сигнала термопары 16 и симметричности кривой намагничивания магнитного материала магнитопровода значения второй гармоники тока основной модуляции на измерительной обмотке 6 в каждый полупериод тока дополнительной моду ляции одинаковы. Соответственно значения . сигналов на выходе, второго 39 и третьего 40 выпрямителей одинаковы, но противоположны по знаку, а на выходе второго интегратора 42 - нулевой сигнал.Ток через регистратор 44 и обмотку 8 обратной связи не протекает. .

При появлении разницы температур между холодным и рабочим спаями термопар 16 в цепи вращающейся обмотки 5 протекает ток, создающий в магнитопроводе 4 матитомодуляционного токосъемника 1 постоянный магнитный поток, который суммируется о магнитным потоком низкочастотного тока дополнительной модуляции в один полупериод и вычитается в ;другой. Это вызывает соответственно увеличение уровня второй гармоники в один полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции и уменьшение в другой.

На выходе третьего сумматора 41 площади положительного и отрицательного полупериодов сигнала становятся разны1у1И. Второй интегратор 42 выделяет постоянную составляющую этого напряжения, пропорциональную ЭДС термопары 16. Управляемый усилитель 43 преобразует напряжение на выходе второго интегратора в ток, который через регистратор 44 поступает в обмотку 8 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсируя магнитный поток, созданный током термопары 16.

Таким образом, значение тока в обмотке 8 обратной связи, определяемое регистратором 44, однозначно соответствует ЭДС, развиваемой термопарой 16.

Окончательно определение температуры вращающегося объекта в месте закладки термопары 16 производится с учетом значения

температуры холодного спая. Это значение определяется с помощью терморезистора 17, индуктивного токосъемника 3 и блока 19 измерения температуры холодного спая.

Изменение коэффициент преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменении температуры окружающей среда:, приводящем к изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров, и т. п., компенсируется с помощью цепи преобразования сигнала подстройки, включающей блоки 25-28 и 43. При этом изменение уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 28- с обратным знаком подается на управляющий вход управляемого усилителя 43, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффициент Преобразования информативного тракта оставался постоянным. Тем самым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрепгаости преобразования.

Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуляционного токосъемника I устраняется с помощью метода преобразования, включающего дополнительную модуляцлю. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода 4 магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной полуволн низкочастотного напряжения дополнительной модуляции после второго 39 и третьего 40 выпрямителей при изменении магнитных свойств магнитопровода, вызванных колебаниями температуры. Несмотря на то, что площади полуволн меняются, разность их при изменении параметров окружающей среды остается постоянной.

Отсутствие в предлагаемом устройстве по сравнению с известным управляемых ключей, вырезающих переходный процесс после согласующего блока, позволяет увеличить количество . информации в каждый полупериод тока допол Интел ьной модуляции и тем самым увеличить чувствительность устройства.ч.

Кроме того, введение первой и второй линий задержки позволяет увеличить вдвое ко личество информации за период низкочастотного тока дополнительной модуляции и тем самым еще более увеличить ч)гвствительность устройства.

Погрецшость преобразования, в предлагаемом устройстве также уменьшена за счет введения двух каналов преобразования.

Вращающийся объект

i6

16

±IV U C f

««г./

а

а