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

iI

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и предназначено для контроля температуры вращающихся элементов различного оборудование. с помощью термопар.

Известны многокальные устройства для измерения температуры вращающе-« гося объекта с помощью термопар, сигнал которых преобразуется на вращающемся объекте с помощью дополнительных преобразователей источников питания, усилителей, модуляторов, преобразователей напряжение частота и т.п.) в переменный сигнал, который затем передается на неподвиж ную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств (индуктивных, индукционных и емкостных токосъемников) или по радио- и оптическому каналам pj .

Точность измерения температуры с помощью этих устройств сравнительно невелика, так как. активные дополнительные преобразователи, расположенные на вращающемся объекте, вносят при преобразовании сигналов термопар дополнительные погрещности. Кроме того, указанные активные дополнительные преобразователи выполняются, как правило, на полупроводниковых элементах, что ограничивает максимальную температуру окружающей среды до 125-150 С, а погрепшости измерения составляют при этом не менее 5%. Введение специального охлаждения полупроводниковых элементов не всегда возможно, и, как правило, нежелательно, так как существенно меняет энергетические режимы работы собственно вращающихся объектов.

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 и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнито- модуляционньй токосъемник,включающий магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи.

31642

а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вра- щающуюся обмОтку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор 5 переменного тока, подключенный

к модуляционной обмотке, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные 0 второй управляемый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, демодулятор (выпряS митель) и первый интегратор, также последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фильтр, первый управляемый ключ, второй интегратор и управляемый 0 преобразователь напряжение - ток, нагруженный через регистратор на обмотку обратной -связи, кроме того, последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный 5 к выходу генератора переменного тока, делитель частоты и преобразователь напряжение - ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, и одновибратор, вход которого Q подключен к выходу делителя частоты, а выход соединен с управляющим входом второго управляемого ключа, при этом выход первого интегратора подключен к управляющему входу первого управляемого преобразователя напряжение - ток, а управляющие входы первого управляемого ключа подключены к выходам умножителя и делителя частоты соответственно L2J. 0 Однако известно устройство имеет недостаточно хорошие динамические характеристики и сранительно больщую погрешность преобразования при быстрых изменениях входного сигнала 5 термопары.

Это вызвано тем, что необходимые в структуре устройства для вьщеления полезного сигнала второй гармоники генератора тока основной модуляции полосовые фильтры должны выполняться высокодобротными. Вследствие этого они имеют большую инерционность и при подаче на их вход сигналов с крутьми фронтами (оги35 бающая сигнала дополнительной

модуляции) начинают подвозбуждаться (звенеть). Кроме того, на выходе фильтра после прохождения сигнала

3

появляется переходный процесс большой длительности, который, сум мируясь с полезным сигналом, приводит к увеличению погрешности преобразования. Поскольку параметры этого переходного процесса зависят от величины входного сигнала и изменения параметров магнитопровода при колебаниях температуры, то исключить эту составляющую погрешности преобразования довольно трудно.

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик устройства и уменьшение погрешности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальное устройство для измерения температуры вращанйцегося объекта, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий в себя магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного съемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, содержащую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый управляемый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый фильтр верхних частот, полосовойфильтр, демодулятор и первый интегратор, последовательн соединенные второй управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель мощности, нагруженный через регистратор на обмотку обрат- .ной связи, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной

обматке, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение - ток,выход которого подключен к измерительной обмотке, а также одновибратор и фильтр низких частот, вход которого под631644

ключен к выходу режекторного фильтра, причем выход первого интегратора подключен к управляющему входу .управляемого усилителя мощности,

5 выход одновибратора подключен к управляющему входу первого управляемого ключа, а вход одновибратора и второго управляемого ключа - к выходу делителя частоты, введены

10 последовательно соединенные синхронный детектор, второй фильтр верхних частот и асинхронный детектор, причем вход синхронного детектора подключен к выходу фильтра

f5 низких частот, выход асинхронного детектора подключен к входу второго . управляемого ключа, а управляющий вход синхронного детектора - к выхо. ду делителя частоты, вход которого

20 соединен с выходом генератора переменного тока.

На фиг. I приведена функциональная блок-схема многоканального устройства для измерения температуры вращающихся объектов (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования ; на фиг. 2 и 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

0 Устройство содержит магнитомодуляционные токосъемники 1,число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъемник 2 для переs дачи сигнала подстройки, индуктивный токосъемник 3 для контроля температуры холодного спря термопар и вторичную аппаратуру.

Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1 включает магнитопровод 4, вращающуюся сигнальную обмотку 5 и ряд неподвижных обмоток - измерительную 6, модуляционную 7 и обрат-, ной связи 8. В. качестве магнитомоду5 ляционного токосъемника I может

. -быть использован любой известный тип преобразователей с продольной, поперечной модуляцией.

Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмотку 10 и ряд вращающихся идентичных обмоток 11 (например, скрученных в один провод из нескольких изолированньк жил), число, которых

5 -равно числу каналов устройства.

: Индуктивньй токосъемник 3 включает магнитопровод 12, неподвижную обмотку 13 н вращающуюся обмотку 14. На вращавидемся объекте расположены термопары 15, число которых равно числу каналов измерения, тер MOpesucTop 16 и дополнительные резисторы 17, Резисторы 17 обеспечивают требу tttift работы термопар 15, например, режим заданного тока, в случае, если актирное сопротивлени вращающихся обмоток 5 и 11 токосъемников 1 и 2 и соединенных проводов мало. в1 юре9истор 16 располагается непосредственно на холодном спае о ной из термопар 15 и его сопротивление однозначно соответствует тем пературе спая. Терморезистор 16 может вьшолняться в виде проволоки из меди или платины, намотанной на холодный спай те1 1спары 15. При небольших температурах холодного спая термопары 15 возможно использование полупроводниковых терморе- зисторов. Холодные спаи Tei 4onap 1 долзкны располагаться в непосредственной близости друг от друга, что бы они имели возможно более близки значения температур. Терморезистор 16 подключается к вращ здейся обмотке 14 индуктивного токосъемни ка 3. Каждая из термопар 15 включена последовательно с соответствукэджга вращающейся обмоткой 1I индуктивного токосъемника 2 и резистором 1 и соединена с вращаяндейся обмоткой 5 соответствующего индуктивного токосъемника 1. Неподвижная обмотка 13 индзгктивного токосъемника 3 подключена к блоку измерения температуры холодного спая тер мопяры i 8. Неподвижная обмотка 10 индуктив ного токосъемника 2 подключена к выходу генератора 19 сигнала подртройки, которьй представляет собой генератор переменного напряжения стабильной частоты (2-3 кГц) и стабильной амплитуды, значение которой не влияет существенно на магнитное состояние магннтопроводо магнитомодуляционных токосъемников (единицы - десятки милливольт). Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодуляцион ных токосъемников I, одинаковая дл каждого канала измерения (на фиг. показана аппаратура только одного А канала), содержит генератор 20 переменного тока модуляции стабильной частоты и амплитуды, делитель 21 частоты, преобразователь напряжение - ток 22, согласующий блок 23, первый управляемый ключ 24, режекторный фильтр 25, первый фильтр 26, верхних частот, полосовой фнльтр 27, демодулятор 28, первый интегратор 29, фильтр 30 ннзких частот, синхронный детектор 31, второй фильтр 32 верхних частот, асинхронный детектор 33, второй управляемый ключ 34, второй интегратор 35, управляемый усили- тель 36 мощности, регистратор 37 и одновибратор 38. ДелительГ 21 частоты имеет козффициент деления 8 - О, Режекторный фильтр 25 подавляет первую гармонику тока основной модуляции генерато-.-, ра 20. Первый 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 30 низких частот имеет частоту сг1еза в 2-3 раза выше частоты второй гармоники тока основной модуляции генератора 20. Второй фильтр 32 верхних частот имеет частоту среза, в 1,2-1,3 раза большую, чем частота, получаемая делением частоты тока генератора 20 на козффициент деления делителя 21. Преобразователь напряжение - ок 22 и управляемьй усилитель 36 мощности имеют достаточно высокое выходное сопротивление (сотни килоом - единицы мегаом). Вход согласующего блока 23 подключен к измерительной обмотке 6. К выходу блока 23 подключены последовательно соединенные ключ 24 и фильтр 25, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтры 26 и 27, демодулятор 28 и интегратор 29. Выход ключа 34 соединен с входом интегратора 35, к выходу которого подключен усилитель 36, нагруженный через регистратор 37 на обмотку 8. Генератор 20 подключен к обмотке 7. Выход делителя 21 частотм соединен с входом преобразователя 22, нагруженного на обмотку 6. Вход фильтра 30 под-, лючен к выходу фильтра 25, выход генератора 29 - к Управляющему входу усилителя 36, выход одновибра7

тора 38 - к управляющему входу ключа 24, а вход одновибратора 38 и ключа 34 - к выходу делителя 21. Детектор 31, фильтр 32 и детектор 3 соединены последовательно, причем вход детектора 31 подключен к выхо- ду фильтра 30, выход детектора 33- к входу ключа 34, а управляющий . вход детектора 3I - к выходу делителя 21, вход которого соединен с вы- ходом генератора 20.

Устройство работает следующим образом (рассматривается работа одного канала измерения температуры),

Генератор 20 возбуждает в модуля ционной обмотке 7 токосъемника 1 ток, который создает магнитный поток в магнитопроводе 4, достаточный для насыщения одного из участков магнитной цепи.

Через измерительную обмотку 6 протекает прямоугольный ток со скважностью, равной двум, формируемый с помощью цепи, состоящей из блоков 20-22.

Одновременно сигнал подстройки генератора 19 передается с помощью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюся цепь термопары 15 (термопара 15, вращающиеся обмотки 5 и 11 и резистор 17),.

При отсутствии разницы температур между рабочим и холодным спаями вращающейся термопары I5 развиваемая ее ЭДС равна нулю, и постоянный ток во вращающейся цепи не , протекает. Поэтому в неподвижной измерительной обмотке 6 магнито- модуляционного токосъемника 1 наводится ЭДС, состоящая из четных и нечетных гармоник тока основной модуляции генератора 20 и сигнала подстройки, промодулированных низ кочастотным прямоугольным напряжением от тока дополнительной модуляции.

Указанный сигнал проходит сог-. ласующий блок 23 и поступает на вход первого управляемого ключа 24, который срезает коммутационные выбросы, возникающие при скачкообразном изменении напряжения на измеритрльной обмотке 6 при изменении полярности тока дополнительной модуляции преобразователя напряже ние - ток 22. Управление ключом 24 производится с помощью перестраиваемого одновибратора 38, синхронизи-

648

рованного от делителя 21 частоты, (форма выходного напряжения первого управляемого ключа 24 ( V) приведена на фиг. 2 а.

Дале° СИ1нал поступает на вход режекторного фильтра 25, который подавляет первую гармонику частоты тока основной модуляции. С выхода фильтра 25 сигнал поступает на входы фильтров 26 и 30 соответственно верхних и низких частот.

Фильтр 26 выделяет сигнал подстройки, который затем усиливается полосовым активным фильтром 27, выпрямляется демодулятором 28.сигна огибающей интегрируется первым интегратором 29 и заводится на управляющий вход управляемого усилителя 36 мощности, коэффициент усиления которого, таким образом, определяется уровнем огибающей сигнала подстройки.

Фильтр 30 низких частот вьщеляют преимущественно сигнал второй гармоники тока основной модуляции (информативный сигналJ, который затем подается на вход синхронного детектора 31, управляемого напряжением с выхода делителя 21 частоты. После выпрямления сигнал подается далее на вход фильтра 32 верхних частот, который вьщеляет сигнал второй гармоники тока основной модуляции ген&ратора 20. Фактически здесь происходит потеря низкочастотной составляющей сигнала , образованной прямоугольным током дополнительной модуляции. (Форма вьпсодного сигнала фильтра 32 (V 2 ) приведена на фиг 2 б).

Далее асинхронный детектор 33 выпрямляет полученный информативный сигнал (форма выходного напряжения асинхронного детектора 33 (V) приведена на фиг.2в), а второй упраляемьй ключ 34, который управляется напряжением с выхода делителя 21 частоты, формирует двухполярный сигнал, форма которого ( ) приведена на фиг. 2г. Этот сигнал интегрируется интегратором 35 и поступает на вход управляемого усилителя 36 мощности, затем преобразуется в ток, который через регистратор 37 подается в обмотку 8 обратной связи магнктомодуляционного токосъемник°а

При отсутствии разно.сти температур между спаями термопарьг 15 и ра. 9

венстве нулю остаточной намагниченности .магнитопровода площади эпюр напряжений положительной и отрицательной полярностей на выходе асинхронного ключа 34 одинаковы. Поэтому на выходе второго интегратора 35 нулевой сигнал и тпк в обмотке 8 обратной связи не протекает.

При появлении разности температур между спаями термопары 15 во вращающейся цепи протекает постоянный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии с принципом работы магнитомодуляционного токосъемника 1 это вызьшает изменение уровня второй гармоники тока основной модуляции на измерительной обмотке 6. Поскольку производится дополнительная модуляция низкочастотным прямоугольным током, то постоянньш магнитный йоток, созданный развиваемой термопарой 15 ЭДС, в один полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции суммируется с магнитным потоком дополнительной модуляции, а в другой вычитается. Это вызывает увеличение уровня второй гармоники в один из полупериодов и уменьшение - в другой. Форма входного сигнала первого управляемого ключа 24 имеет ви приведенный на фиг. За (V).

Соответственно на входах блоков 32-34 присутствуют сигналы, имеющие форму, приведенные на фиг. Зб виг соответётвенно,Поскольку пло щади эпюр напряжений положи- ельной и отрицательной полярностей в этом случае неравны, то на выходе второго интегратора 35 появляется постоянное напряжение, которое преобразуется управляемым усилителем 3 в ток, который протекает через регистратор 37 по обмотке 8 обратной связи, компенсируя магнитный поток, созданный вращающейся обмоткой 5. Значение тока компенсации в обмотке 8 обратной связи однозначно соответствует разности температур между спаями термопары 15.

Наличие остаточной намагниченности магнитопровода 4 эквивалентно воздействию магнитного потока, создаваемого токсгм термопары 15 во вращающейся обмотке 5. Остаточный магнитный поток также суммируется или вычитается с низкочастотным магнитным потоком дополни6410

тельной модуляции в каждый из полупериодов . В итоге по обмотке 8 обратной связи протекает ток, компенсирующий . этот ложный сигнал. Поэтому после прогрева аппаратуры перед началом проведения измерений должен выставляться ноль у регистратора 37.

Окончательно определение температуры вращающегося объекта в месте закладки термопары 15 производится с учетом значения температуры холодного спая, определяемого с помощью терморезистора 16, индуктивного токосъемника 3 и блока 18 измерения. Этот бпок можетбыть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивления или с емкостными токосъемниками .

.Изменения коэффициента преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменениях температуры окружающей среды, приводящих к изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров и т.п., компенсируется с помощью цепи преобразования сигнала подстройки, включающей блоки 26-29 и 36. При этом изменения уоовня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 29 с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемого усилителя 36, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффициент передачи тракта, включающего магнито- модуляционный токосъемник 1, линию связи и блоки 23-25, 30-36 Оставался постоянным,тем самым в получавщеся компенсационной схеме исключаетс влияние мультипликативных составляющих погрещности преобразования.

Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуля- ционного токосъемника 1 устраняется с помощью использования метода преобразования, включающего дополнительную модуляцию, реализуемую с помощью блоков 20-25, 30-34. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода магнитонодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной площадей эпюр напряжений на выходе асинхронного детектора 34 при изменении магнитных свойств маг

II . 11631642

нитопровода, вызванны.: колебаниями при изменениипараметров окру

температуры. Несмотря на то, что жающей средыостается постоянэти площади меняются, разность их ной.

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРМ1АЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, ив каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий в себя магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционнзгю обмотки и обмотку обратной свяэи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, содержащую соглас.ующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый управляемый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый фильтр верхних частот, полосовой фильтр, демодулятор и первый интегратор, последовательно соединенные второй управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель мощности, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, поспедовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжения - ток, выход которого подключен к измерительной обмотке а также одновибратор и фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу режекторного фильтра, причем выход первого интегратора подключен к управля(Л ющему, входу управляемого усилителя мощности, выход одновибратора подключен к управляющему входу первого управляемого ключа, а вход одновиб- ратора и второго управляемого ключа - к выходу делителя частоты, отличающееся тем, что, а с целью улучшения динамических 00 характеристик устройства и уменьшения погрешности преобразования, в а него введены последовательно соединенные синхронный детектор, второй фильтр верхних частот и асинхронный детектор, причем вход синхронного детектора подключен к выходу фильтра низких частот, выход асинхронного детектора подключен к входу второго управляемого ключа, а управляющий вход синхронного детектора - к выходу делителя частоты , вход которого соединен с выходом генератора переменного тока.

L

a

vwww

ЛМАЩ t

0W2.Z

а

5

vWvVvV-sAM

33

ЛАЛШЛ ЛШМЛ М«ЛШ t

Фмг.З