Устройство для измерения температуры поверхности ферромагнитных тел Советский патент 1989 года по МПК G01K7/38 

ел

оо

о

QD 4

Изобретение относится к температурным измерениям, точнее к устройствам для измерения температуры с использованием магнитных элементов, магнитная проницаемость которых зависит от температуры, и может быть использовано при определении температур поверхности ферромагнитных тел, например, при контроле в процес- се проведения технологического процесса.

Цель изобретения - повышение точности измерения температуры за счет исключения влияния воздушного зазора между ферромагнитным телом и детектирующей катушкой.

На фиг. 1 изображена структурная схема устройства; на фиг. 2 - структурная схема блока вычисления квадра- та тангенса угла Ц.

Устройство для измерения температуры поверхности ферромагнитных тел содержит первьм задатчик напряжения, первьй сумматор 2, интегратор 3, ключ 4 с одним подвижным и двумя неподвижными контактами, дифференциальный усилитель 5, второй задатчик 6 напряжения, детектирующую катушку 7, состояшук) из возбуждающей 8, из- мерительной 9 и подмагничивающей 10 обмоток, балластную катушку 11, состоящую из возбуждающей 12 и измерительной 13 обмоток, генератор 1А, второй сумматор 15 и блок 6 вычисления квадрата тангеттса угла ( между магнитными потоками в ферромагнитном теле и в измерительной обмотке 13 балластной катушки 11.

Блок 16 вычисления квадрата тан

генса угла Cf может быть вьтолнен по схеме, приведенной на фиг. 2. Он содержит три амплитудных детектора 17-19, восемь умножителей 20-26, два сумматора 27 и 28, шесть вычитающих устройств 29-34, делительное устройство 35 и переменный резистор 36.

Устройство работает следующим образом.

Сначал а проводят настройку устрой- ства. В этом режиме ключ 4 находится в положении Н. Ток обмотки 10 подмаг- ничивания имеет максимальное значение, он устанавливается задатчиком 6 напряжения. Ферромагнитное тело.

имеющее начальную температуру, помещают в детектирующую катушку 7. При этом на выходе блока 16 вычисления квадрата тангенса угла Lp формируется

сигнал, пропорциональный квадрату тангенса угла ef при начальной температуре контролируемого тела. Значение этого сигнала может быть определено по формуле

г 2Ек()-()-Е1 ,,. tgCf ---j2-------,I-g,-j,(,)

где Е ,Е - соответственно амплитуда ЭДС на выходах обмоток 9 и 13; ,; R /R - коэффициент заполнения

измерительной обмотки телом;R - радиус контролируемого

тела;

RK - радиус измерительной обмотки 9.

Задатчиком 1 напряжения устанавливается на выходе сумматора 2 нулевой сигнал (контроль напряжения на выходе сумматора 2 может быть осуществлен, например, с помощью вольтметра, который на фиг. 1 не показан). При этом задатчик 1 напряжения фиксирует начальный угол сдвига фаз между магнитными потоками в теле и вне его, который соответствует определенному значению обобщенного параметра Зс

R |-jCO (l(,

.

То

(2)

где Ср - частота генератора; |Ua - магнитная проницаемость при

° начальной температуре; G - удельная электропроводность

тела при начальной температуре.

Глубина проникновения l электромагнитного поля в тело при начальной температуре вычисляется по формуле

1

P GTo l OTo

(3)

В режиме измерения ключ 4 находится в положении Р. Увеличение температуры поверхности тела приводит к уменьшению удельной проводимости материала тела и его магнитной проницаемости, а следовательно, и изменению величины обобщенного параметра.

Чтобы величина обобщенного параметра и глубина проникновения электромагнитного поля в теле остались неизменными, необходимо увеличить магнитную проницаемость тела за счет уменьшения тока подмагничивания. Если температура тела увеличится от темпера

туры Тд до температуры Т,, то это приведет к уменьшению удельной прово димости материала Ферромагнитного тела от величины GT, и магнитной проницаемости OTIUQ вызовет меньшение обобщенного параметра до X, и увеличение глубины проникновени электромагнитного поля до U,.

Изменение температуры вызовет изм нение угла ц сдвига фаз между магнитными потоками в теле и вне его. На выходе блока 16 вычисления квадрата т ангенса угла ср изменится напряжение а на выходе сумматора 2 появится напряжение, не равное нулю. Это в свою очередь вызовет рост напряжения на выходе интегратора 3 и на инвертирующем входе дифференциального усилителя 5, следовательно, уменьшится напряжение на обмотке 10 подмагничива- ния.

Уменьшение тока подмагничивания вызовет увеличение магнитной проницаемости материала ферромагнитного тела. Уменьшение тока подмагничивания будет происходить до тех пор, пока величина обобщенного параметра X не будет равна начальной Х, заданной в режиме настройки.

Причем из равенства , следует что UoiT G |Ьат, Ст const, а это означает равенство глубины проникновени электромагнитного поля в тело (u,o) т.е. с изменением температуры поверхности тела температура глубинных слоев тела не влияет на результат измерения.

О величине измеряемой теьшературы можно судить по величине тока в об- 1«1тке подмагничивания или по величине выходного напряжения дифференциального усилителя 5. Точное соответствие между выходным сигналом усилителя 5 и измеряемой температурой может быть установлено путем предварительной калибровки устройства (по встроенному в контролируемое тело датчику температуры).

Блок 16 вычисления квадрата тангенса угла tf работает следующим образом.

На входы умножителей 20-22 посту

пают сигналы Ер, ЕК, ДЕ с выходов амплитудных детекторов 17-19, на входы которых поступают сигналы с выходов обмоток 9, 13 и сумматора 15 соответственно. С выходов умножителей сигналы поступают на входы сумматоров

д

27, 28 и вычитающее устройство 29,

на выходе которого формируется сигнал .,2 ч Ер-йЕ .

На выходе умножителя 23 формируется сигнал (Fp-bE ) , умножителя 24 - 2Ец(Ер+йЕ ), вычитающего устройства

32- 2Е()-() , умножителя 25 - ЕК, вычитающего устройства

33- 2Е Е +йЕЪ-(.

На выходе подстроечного резистора 36, который необходим для компенсации влияния воздушного зазора, формируется сигнал . На выходе вычи- тающего устройства 30 формируется сигнал Е.,(1-2), на выходе вычитаюГ . П

щего устройства 31 - -(1-22), на выходе вычитающего устройства 34 - Е -(1-22)Ец-ЬЕ J, на выходе умножителя 26 - Ep-(l-2) на выходе делительного устройства 35 получают сигнал, равный tp, ( в соответствии с формулой (1). Формула изобретения

25

5

5

0

5

0

Устройство для измерения температуры поверхности ферромагнитных тел, coдepжap ee первьй сумматор, первый вход которого соединен с выходом первого задатчика напряжения, а выход подключен к входу интегратора, дифференциальный усилитель, неинвертирующий вход которого соединен с выходом второго задатчика напряжения, а инвертирующий вход соединен с подвижным контактом ключа,первый неподвижный контакт которого подключен к выходу интегратора, а второй неподвижный контакт соединен с общей шиной устрой- - ства, детектирующую катушку, состоя-: щую из возбуткдающей, измерительной и подмагничивающей обмоток, балластную катушку, состоящую из возбуждающей и измерительной обмоток, первые выводы которых подключены к общей шине устройства, соединенной с первыми выводами измерительной обмотки детектирующей катушки и первым выводом под- магничивакщей катушки, второй вывод Q которой соединен с вькодом дифференциального усилителя, генератор импульсов, первый выход которого через возбуждающую обмотку детектирующей катушки соединен с вторым выводом возбуждающей обмотки балластной катушки, а второй выход соединен с общей щиной устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него

введены второй сумматор и блок вычисления квадрата тангенса угла, первый вход которого соединен с первым входом второго сумматора и вторым выводом измерительной обмотки детектирующей катушки, второй вход соединен с

выходом второго сумматора, а третий вход подключен к второму входу второго сумматора и второму выводу измерительной обмотки балластной катушки, а выход соединен с вторым входом первого сумматора.

Изобретение может быть использовано при определении температур поверхности ферромагнитных тел. Целью изобретения является повышение точности измерения температуры за счет исключения влияния воздушного зазора между ферромагнитным телом и детектирующей катушкой. Увеличение температуры поверхности тела приведет к уменьшению магнитной проницаемости тела, что вызовет изменение сигнала на выходе блока 16 вычисления квадрата тангенса угла между магнитными потоками в ферромагнитном теле и в измерительной обмотке 13 балластной катушки 11. Это вызовет уменьшение тока подмагничивания в подмагничивающей обмотке 10, что приведет к увеличению магнитной проницаемости материала ферромагнитного тела. Уменьшение тока подмагничивания будет происходить до тех пор, пока величина обобщенного параметра не будет равна начальной, заданной в режиме настройки задатчиком напряжения 1. Сигнал на выходе блока 16 вычисления квадрата тангенса угла формируется с учетом степени заполнения измерительной обмотки контролируемым телом. 2 ил.

Фие.2