Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта Советский патент 1982 года по МПК G01K13/08 

Изобретение относится к температурным измерениям и предназначено для многоканального измерения темпе ратуры вращающегося объекта с помощью термопар. Известны многоканальные устройст ва для измерения температуры вращаю щегося объекта с помощью термопар,, сигнаш передается на неподвижную аппаратуру с помощью бесконтактных устройств различного типа. Эти устройства содержат ряд дополни тельных активных преобразователей, расположенных на вргицающемся объекте (источники питайия, усилители, модуляторы и т.п.), с помощью которых производится преобразование час тотного спектра передаваемого сигна ла (сигнала термопаЕял) . Преобразова ный сигнал передается затем с вращающегося объекта бесконтактными токосъемными устройствами - емкостными и индуктивными токосъемниками или по радио- и оптическим кангилам на неподвижную аппаратуру где прои водится его дальнейшая обработка. Указанные устройства при использовании полупроводниковых коммутаторов позволяют реализовать многоточеч ное измерение с помощью одного токо-ч съемного узла 1 и Г23. Однако точность измерения температуры этими устройствами сравнительно невелика, так как активные дополнительные преобразователи, расположенные на вращающемся объекте, вносят при преобразовании сигналов термопар дополнительные погрешности. Кроме того, наличие источников питания и йолупроводниковых элементов на вращающемся объекте принципиально ограничивает максимальную температуру окружающей среды до 125-150 С. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, передача сигналов термопар в котором осуществляется с помощью магнитомодуляционных токосъемников, 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 изморе- низ термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий в себя магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную и модуляционные обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, режекторный фильтр настроенный на .частоту генератора переменного тока, подключейный к выходу согласующего блока, управляемый усилитель, подключенный к выходу режекторного фильтра, последовательно соединенные фильтр верхних частот, подключенный к одному из выходов управляемого усилителя, первый полосовой фильтр, настроенный на частоту генератора подстройки, демодулятор и первый интегратор, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя, и последовател но соединенные фильтр низких частот, подключенный ко второму выходу управляемого усилителя, второй полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту генератора переменного тока, выпрямитель и второй интегратор, под ключенный через регистратор к обмотке обратной связи магнитомодуляционного токосъемника. Контроль температуры холодных слоев вращающихся термопар производится с помощью терморезистора, расположенного на спае од ной из термопар и подключенного к вращающейся обмотке второго индуктивного токосъемника, неподвижная об мотка которого подключена к блоку из мерения температуры холодного слоя. Данное устройство позволяет.производить измерение температуры вращающегося объекта с повышенной точностью, так как изменение коэффициентов преобразования магнитомодул.яционнЫх токосъемников при изменениях параметров магнитной цепи (воздушных зазоров, смещений вращающейся обмотки относительно неподвижных и т.п.), происходгдт при колебаниях температуры окружающей среды и в процессе работы токосъемников, компенсируются вторичной аппаратурой 31. Однако передача по тракту преобразования дополнительного сигнала подстройки и изменение в соответствии с уровнем его огибающей коэффици ента усиления управляемого усилителя позволяют устранить только мульти пликативную составляющую погрешности коэффициента преобразования магнитомодуляционных токосъемников. Аддитив нал составляющая погрешности последних определяется остаточной намагниченностью материала магнитопровода, изменениями магнитной проницаемости и реализованным в прототипе методом устранить, ее принципиально невозможно. Учитывая, что магнитная проницаемость, например., пермаллоев изменяется в среднем на 0,09-0,16%, то при изменении температуры окружающей среды от 20 до аддитивная погрешность коэффициента преобразования может только за счет этого фактора составлять до 2-3%. В итоге точность измерения температуры вращающегося объекта при колебаниях температуры окружающей среды в месте расположения магнитомодуляционных токосъемников в широких пределах оказывается недостаточно высокой. Цель изобретения - повышение точности измерения температуры вращающегося объекта за счет исключения . аддитивной составляющей погрешности преобразования магнитомодуляционных токосъемников. Поставленная цель достигается тем, что в 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 в себя, магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную и модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре,генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке магнитомодуляцион ного токосъемника, режекторный фильтр, настроенный на частоту генератора переменного тока, подключенный к выходу согласующего блока, управляемый усилитель, последовательно соединенные фильтр верхних . частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, первый полосовой фильтр, настроенный на частоту генератора подстройки, демодулятор и первый интегратор, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя, выход которого подключен через регистратор к обмотке обратной связи магнитомодуляционного преобразователя, соединенные последовательно фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, второй полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту генератора переменного тока, а также второй интегратор, в каждый канал введены последовательно соеди ненные умножитель частоты, делитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напряжен не-ток, а также ключ, вход которого подключен к выходу второго полосового фильтра а выход подключен ко входу второго интегратора, причем вход умножителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, выход преобразователя напряжение-ток подключен к неподвижной измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, один управляющий вход ключа соединен с выходом умножителя частоты, второй управляющий вход ключа соединен с выходом делителя частоты, а выход второго интегратора подключен ко входу управляемого усилителя. Введение дополнительной низкочаототной модуляции посредством введенной цепи из последовательно соединенных умножителя.частоты, делителя частоты, третьего полосового фильтра и преобразователя напряжение-ток позволяет с помощью ключа выделять изменения коэффициентов преобразования магнитомодуляционных токосъемников (аддитивная составляющая погроаности) и компенсировать их током обмотках обратной связи. На фиг.1. приведена схема предлагаемого многоканального устройства для измерения температуры вращающего ся объекта (вторичная .аппаратура показана для одного канала преобразова ния) , на фиг.2-4 - диаграммы напряже ний, поясняющие работу устройства. Устрюйство содержит (фиг.1) магнитомодуляционные токосъемники 1, число которых равно числу каналов из мерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъемник 2 для передачи сигнсьла подстройки, индуктивный токосъемник 3 для контро ля температуры холодного спая термопар и вторичную аппаратуру. Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1 состоит из магнитопровода 4, вращающейся обмотки 5 и неподвижных измерительной б, модуляционной 7 обмоток и обмотки 8 обратной связи. Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмо ку 10 и ряд вращающихся идентичных обмоток 11, число которых равно, числу каналов устройства. Вращающиеся обмотки 11 могут выполняться скрученным проводом, число изолированных лил в котором равно числу канешов ус ройства. Индуктивный токосъемник 3 включает магнитопровод 12, неподвижную об:мотку 13 и вращающуюся обмотку 14. Все токосъемники конструктивно могут выполняться На одном валу в.. виде единого блока, стыкуемого с валом вращающегося объекта или охватывающего вращающийся объект или в виде отдельных блоков, валы которых ме ханически соединяются между собой и с вращающимся объектом муфтами. На вращающемся объекте расположены термопары 15, число которых равно числу каналов измерения, терморезистор 16 и дополнительные резисторы 17, которые обеспечивают требуемый режим работы термопар 15, например режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихся обмоток 5 и 11 токосъемников 1 и 2 соответственно и соединительных проводов мешо. Треморезкстор 16 располагается непосредственно на холодном спае одной из тер1адпар 15, и его сопротивление однозначно соответствует температуре спая. Терморезистор 16 может выполняться в виде проволоки из меди или платины, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 15. При небольших теглпературах холодного спая термопары 15 возможно использование полупроводниковых терморезисторов. Холодные спаи термопар 15 целесообразно располагать в непосредственной близости друг от дру- . га, чтобы они имели возможно более близкие значения температур.-Терморезистор 15 подключен к вращающейся обмотке 14 индуктивного токосъемника 3 . Термопары 15 включены последовательно с вращающимися обмотками 11 индуктивного токосъемника 2 и резисторами 17 соответственно и соединены с вращающимися обмотками 5 соответствующих магнитомодуляционных окосъемников 1. Неподвижная обмотка 13 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку измерения температуры холодного спая терглопары 18. Неподвижная обмотка 10 индуктивного токосъемника 2 подключена к выходу генератора 19 сигнала подстройки, который представляет собой генератор переменного напряжения стабильной частоты (-2/кГц) и стабильной амплитуды, значение которой не влияет на магнитное состояние магнитопроводов магнитомодуляционных токосъемников 1 (единицы-десятки милливольт). Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодуляционных токосъемников, одинаковая для каждого канала измерения (показана аппаратура только одного канала) включает в себя генератор 20 перб менного тока одуляции стабильной частоты и ампитуды тока, согласующий блок 21, ежекторный фильтр 22, настроенный а частоту тока модуляции (подавляет игнал, частота которого равна частое тока модуляции генератора 20), фильтр 23 верхних частот, полоса пропускания которого начинается с частоты, в нескблько раз (3-4 раза) превышающей частоту тока модуляции генератора 20, первый полосовой фильтр 24, настроенный на частоту сигнала подстройки (выделяет и усиливает сигнал частоты подстройки), демодулятор 25, выделяющих огибающую сигнала подстройки, интегратор 26, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя 27 фильтр 28 низких частот, настроенный таким образом, что он не пропускает гармоники с частотой, превьш1а:ющей удвоенную частоту тока модуляции генератора 20 приблизительно в 2,22,5 раза, второй полосовой фильтр 29,настроенный на удвоенную частоту тока модуляции ген.ератора 20, ключ 30,второй интегратор 31, умножитель (удвоитель) 32 частоты, выход которо го подключен к одному из управляющих входов ключа 30, делитель 33 частоты один выход которого подключен ко второму управляющему входу ключа 30, а второй - к третьему полосовому фильтру 34, выделяющему основную гармонику, получающуюся после деле,; ния делителем 33 частоты, преобразователь 35 напрях ение-ток выход кото рого подключен к неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодуляционного токосъемника 1,, и регистратор 36, например, стрелочный или цифровой прибор, через который выход управляемого усилителя 27 подключен к обмотке 8 обратной связи магнитомоДуляционного токосъемника 1. В случае, если выходной сигнал Магнитомодуляционного преобразователя 1 снимается не по второй гар лонике тока модуляции генератора 20 переменного тока, а по другой гармонике, например по четвертой, то ум ножитель 32 частоты умножает в 4 раза, а фильтры 28 и 29 перестроены соответствующим образом. Устройство работает следующим об разом (рассматривается работа одног канала). Генератор 20 переменного тока СО дает в обмотке 7 магнитомодуляционн го токосъемника 1 ток, величина кот рого достаточна для введения магнит I провода токосъемника в насыщение. I При отсутствии разницы температу йежду рабочим и холодным спаями вра щающейся термопары 15,развиваемая ею ЭДС равна нулю, и постоянный ток во вращающихся цепях не протекает. Сигнал подстройки генератора 19 пер дается с помощью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюся цепь терм пары 15 (термопара 15, вращающиеся обмотки 5 и 11 и резистор 17). При этом в неподвижной измерительной об мотке б Магнитомодуляционного токоъемника 1 наводится ЭДС, состоящая з сигнала подстройки генератора 19 четных и нечетных гap «эиик тока одуляции генератора 20. Кроме того, ерез Ьбмотку 6 гонится синусоидальый ток низкой частоты (5-10 Гц), ормируемый с помощью цепи, образованной блоками 32-35, поэтому результирующий сигнал на обг-ютке 6 имеет римерную форму, приведенную на фиг.2 (суммарный сигнал ЭДС частоты подстройки и гармоник частоты тока модуляции генератора 20 промодулирован низкочастотным напряжением), Указанный сигнал проходит через согласующий блок 21 и далее на вход режекторного фильтра 22, подавляющего первую гармонику тока модуляции генератора 20. Напряжение с выхода режекторного фильтра 22 поступает на входы фильтра 23 верхних частот и фильтра 28 низких частот. Фильтр 23 ерхних частот, первый полосовой фильтр 124, демодулятор 25 и интегратор 26 выделяют модулированный по амплитуде сигнал частоты подстройки, выделяют и сглаживают его огибающую и подают на управляющий вход управляемого усилителя 27. При этом значение величины коэффициента усиления усилителя 27 определяется средним значением аплитуды огибающей сигнала подстройки. Одновременно фильтр 28 низких частот и второй полосовой фильтр 29 выделяют вторую гармонику тока модуляции генератора 20, промодулирован ную низкочастотным синусоидальным напряжением с частотой тока преобразователя 35 напряжениеток, которая поступает на вход ключа 30. Поскольку на упоавляющие входы ключа 30 подаются низкочастотное прямоугольное напряжение от делителя 33 частоты и прямоугольное напряжение удвоенной частоты модуляции от умножителя 32 частоты, то ключ 30 в течение одного полупериода низкочастотного напряжения работает как инвертирующий детектор, а- в течение другого полупериода - как неинвертирующий детектор. Напряжение на выходе ключа 30 при отсутствии разности температур между спаями термопары 15 и отсутствии остаточной намагниченности материала магнитопрювода магнито- . модуляционного токосъемника 1 имеет некоторую форму (фиг.З). Для рассматриваемого случая площади положительной и отрицательной полуволны низкочастотного напряжения одинаковы, поэтому на выходе второго интегратора 31 - нулевой сигнал. Соответственно, через регистратор 36 ток по обмотке 8 обратной связи Магнитомодуляционного токосъемника 1 не протекает. В случае, если остаточная намагниченность материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 отлична от нуля, то остаточнып маг нитный поток либо суммируется в один из полупериодов, либо вычитается в другом полупериоде из магнитного поTOifa/ создаваемого током, протекающи по обмотке б, который вырабатывается преобразователем 35 напряжениеток. Очевидно, что это приводит к появлению разности площадей положите льной и отрицательной полуволн напря жения после ключа 30. Пропорциональное разности этих площадей напряжение с выхода второго интегратора 31 усиливается усилителем 27, и ток, протекающий через регистратор 36 по обмотке 8 обратной связи, компенсиру ет этот ложный сигнал. Поэтому перед началом измерений после прогрева аппаратуры выставляется ноль у регистратора. 36, При появлении разности Tet/inepaтур между спаями термопари 15 по вра щающейся цепи протекает постоянный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии с принципом работы магнитомодуляционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровня второй гармоники тока 14ОДУЛЯЦИИ генератора 20 в спектре его выходного сигнала. Изменение же амплитуды второй гармоники тока модуляции приводит к соответствующе1 1у изменениюглубины модуляции ее низкочастотным током преобразователя 35 напряжениеток (при увеличении амплитуды второй гармоники глубина модуляции уменьшается и наоборот). Соответственно, |изменяется соотношение площадей отрицательной и полохштельной полуволн низкочастотного нготряжения на выходе управляемого ключа 30 (фиг..4) . Тогда на выходе второго интегратора 31 появляется постоянное напряжет1ие, величина которого пропорциональна разности площадей полуволн (или разности температур между спаями термопа{%1 15), а знак зависит от направленна постоянного тока термопары 15 во вращающейся обмртке 5. Это напряжение преобразовывается управляемся усилителем 27 в ток, через регистратор 36 заводится в обмотку. 8 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, ко в1енсируя магнитный поток, развивае1влй током термопа ры 15 во вращающейся оомотке.. 5. Значение постоянного тока, протекающего через регистратор 36 в обмотке 8 об|ратной связи однозначно соответству|ет разности температур между спаями термопа1 л 15. Окончательное определение темпера туры вращгиощегося объекта в месте закладки термопары 15 производится с учетом значения температуры холодного спая, измеряемого с помощью теруюрезистора 16, индуктивного токосъемника 3 и блока 18 измерения. Блок 18 изг- ерения теютературы холодного спая термопары 15 представляет собой известную измеритульную схему с трансформацией сопротивления, однако схема измерения температуры холодного спая может быть выполнен а с использованием емкостных токосъемниког. 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 магнитопровода, воздушных зазоipoB и т.п., вызывает изменение уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 26, Эти ti3MeHeHHH с обратным знаком подгиотся на управляющий вход усилителя 27, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффициент передачи тракта, включающего магнитомодуляциоиный токосъемник 1, линию связи, согласующий блок 21, рексекторный фильтр 22, фильтр 28 низких частот, второй полосовой фильтр 29, ключ 30, второй интегратор 31 и управляемый усилитель 27, оставался постоянным. Тем самым в получающейся коглпенса:.ционной схеме, исключается влияние мультипликативных составляющих погрешности преобразования. Погрешности преобразования, вносимые фильтром 28 низких частот, вторым полосовым фильтром 29, ключом 30 и интегратором 31, которые работают в узких пределах изменения температуЕял окружающей среды в нормальных условиях, пренебрежимо малы и практически не влияют на.точность измерения температуры вращающегося объекта. При изменениях магнитных свойств материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 с изменением телшературы окружающей среды амплитуда второй гармоники тока модуляции генератора 20 также меняется при постоянном входном сигнале, кроме того, изменяется глубина модуляции ее дополнительным низкочастот|ным сигналом в измерительной обмотке 6. Однако в -силу симметрии кривой намагничивания магнитопровода токосъемника 1 амплитуды и площади положительной и отрицательной полуволн низкочастотного напряжения поспе ключа 30 изменяются совершенно одинаково {амплитуды либо увеличиваются, либо уменьшаются одновременно, а разность их площадей остается прежней) . Тем Сс1мым аддитивная составляющая погрешности коэффициента преобразования исключается благодаря используемому методу преобразования. Таким образом, предлагаемое устройство имеет повьшенную по сравнению с прототипом точность преобразования благодаря исключению аддитивной погрешности преобразования. По .экспертной оценке погрешность измерения температуры вращающегося объекта с помошью предлагаемого устройства уменьшается по сравнению с прототипом на 2-3% в диапазоне рабрчих температур магнитомодуляционных токосъемников 1 от О до 300-400°С. Нестабильность нуля устройства на макете, реализованном в лабораторних условиях, не превышает 0,15% за 8 ч работы. Повышение точности измерения температуры вращающегося объекта позволяет повысить достоверность определения запасов прочности у разрабатыва емых газотурбинных двигателей, вращающихся печей и т.п. при проведении их экспериментальных исследований. Кроме того, применение предлагаемого устройства в промышленности (энергетика, промышленность строительных материалов, нефтехимия, химия и т.п) позволяет оптимизирова.ть производственные процессы и получить большое количество дополнительной продукции без дополнительных капитальных вложений. Использование одного экземпля ра предлагаемого .устройства для термометрирования турбин. оазрабатЙ1ва емых газотурбинных двигателей позволяет получить по экспертной оценке эконс 1ическую эффективность до 20- 30 тыс.руб. в год. Формула изобретения Многоканальное устройст1во для измерения температура вращающегося объекта, включгиощее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащее в каждом канапе измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляциояный то косъемник, включающий в себя магнит провод и неподвижно расположенные и .. . ... - мерительную и |модуляционныё обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вргицающуюся обмотку индуктивного токосъемника к wuwui ПЕ1/4У « V iWftv t oerorinjvai л термопаре, генератор переменного то к, подключенный к модуляционной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, режекторный фильтр, настроенный на частоту генератора пермвнного тока, подключенный к выходу согласующего блока, управляемый усилитель, выход которого подключен через регистратор к обмотке обратной связи магнитонодуляционного токосъемника, последовательно соединенные фильтр верхних частот, подключенный к выходу режекторного Фильтра, первый полосовой, фильтр. настроенный на частоту генератора подстройки, демодулятор и первый интегратор, выход которого подключен к управляющему входу управляемого усилителя, соединённые последовательно фильтр низких частот, пoдIfлючeнный к выходу режекторного фильтра, и второй полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту генератора переменного тока, а также второй интегратор. ° ающее с я тем, что, с целью повышения точности измерения температуры вращающегося объекта за счет исключения аддитивной составляющей погрешности.преобразования магнитомодуляционных токосъемников, в каждый канал введены последовательно включенные умножитель .Частоты, делитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напряжение-ток, а уакже ключ, вход которого подключен к выходу второго полосового фильтра, а выход подключен к входу второго интегратора, причем вход у1«ожителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, выход преобразователя напряжение-ток подключен к неподвижной измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, один управляющий вход ключа соединен с выходом улшожителя частоты, второй управляющий вход ключа соединен с выходом делителя частоты, а выход второго интегратора подключен к входу управляемого усилителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Самбурский А.И., Новик В.К. Бесконтактные измерения параметров вращающихся объектов. М., Машиностроение, 1976, с. 13-17. О . f imtff Ы U Т 2.Богаеико И.Ц. Контроль температуры электрических машин, Техника, 1975, с. 94-130, 149-162. 3.Авторские свидетельство СССР 2768524/18-10, кл. G 01 К 13/08, . --г ----28.11.79 (прототип).

Л7,«

i.c