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

(54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА

1

Изобретение относится к температурным измерениям и предназначено для многоканального измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар.

Известны многоканальные устройства для измерения температуры вращающегося 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 неподвижную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств (индуктивных, индукционных и емкостных токосъемников) или по радио- и оптическому каналам 1 и 2.

Точность измерения температуры с по.мощью 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 погрещности 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.

Известны также многоканальные уст,д ройства для измерения температуры вращающегося объекта, передача сигналов термопар в которых осуществляется с помощью магнитомодуляционныхтокосъемников

бесконтактно, при этом дополнительное преобразование сигнала на объекте не

15 производится. Использование магнитомодуляционных токосъемников позволяет расширить диапазон рабочих температур окружающей среды в месте расположения токосъемников до 300-400°С. Подстройка коэффициента преобразования вторичной

20 неподвижной аппаратуры по изменению огибающей специального сигнала подстройки, передаваемого через тракт преобразования, позволяет практически полностью устранить мультипликативные составляющие погрешности преобразования токосъемников и уменьшить ногреишость измерения до 2-3% 3.

Наиболее близким по техггической cyiu ности и достигаемому результату к пред лагаемому является многоканальное устройство для измерения температуры вращаюшегося объекта с помощью термопар, в котором для уменьп ения аддитивных состав ляющих погрешности преобразования магнитомодуляционных токосъемников производится еше и дополнительизя модуляция преобразуемого сигнала низкочастотным синусоидальным током.

Указанное устройство включает индуктивный токосъемник с числом врашающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктив ного токосъемника, и содержит в каждом канале измерения термопару, расположенную на врашающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включаюш,ий магнитонровод и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращаюш,уюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, согласуюП-1ИЙ блок, подключенный к измерительной обмотке, режекторный фильтр, подключенный к выходу согласуюп1его блока, последовательно включенные фи.1ьтр верхних частот, первый полосовой (j)njb;i), демоду.1ятор и первый интегратор, последивателыю включенные фильтр низких частот, второй по.юсовой фильтр, управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель, выход которого через регистратор подключен к обмотке обратной связи, а также последовательно соединенные умножитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напряжение-ток, подключенный к измерительной обмотке, при этом входы фильтров верхних частот и низких частот подключены к выходу режекторного фильтра, выход первого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, вход умножителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, а выходы умножителя частоты и делителя частоты подключены к управляющим входам управляемого ключа.

Температура холодных спаев вращающихся термопар ко1ггролируется с по.мощью терморезистора, расположенного на холодном спае одной из термопар, второго индуктивного токосъемника, вращающаяся обмотка которого подключена к терморезистору, и блока измерения температуры холодного спая, подключенного к неподвижной обмотке второго индуктивного токосъемника 4.

Недостатком известного устройства является высокая чувствительность и точность преобразования. Это объясняется тем, что коммутирующие управляемый ключ напряжения с выходов умножителя и делителя

частоты не совпадают по фазе с промодулированным напряжением второй гармоники генератора переменного тока на входе управляемого ключа.

Указанный сдвиг фазы возникает из-за

различия цепей преобразования сигнала второй гармоники генератора переменного тока (согласующий блок, режекторный фильтр, фильтр низких частот и второй полосовой фильтр) и коммутирующих напряжений (умножитель частоты и делитель частоТЫ), так как управляемый ключ осуществляет фазочувствительное детектирование, то часть информации при наличии сдвига фаз геряется. Если этот сдвиг равен 90°, то информация будет потеряна полностью.

Кроме того, фаза собственно второй гармоники на выходе магнитомодуляционного токосъемника изменяется при изменении режимов работы (изменение значения токов модуляции), происходит дополнительное смещение фазы выходного сигнала вто5 эой гармоники относительно коммутирующих напряжений.

Цель изобретения - повышение чувствительности и точности преобразования путем

Q уменьшения сдвига фаз между входным и коммутирующим управляемый ключ напряжениями.

Поставленная цель дости1аегся тем, что в известном многоканальном устройстве для измерения температуры вращающегося

5 объекта, включающем индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенной к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащем в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижно распо.тоженные измерительную, модуляционную обмотки и обмот5 ку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, согласующий блок, под0 ключенный к измерительной обмотке, режекторный фильтр, подключенный к вы.ходу согласующего устройства, соединенные последовательно фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, демодулятор и первый интегратор, последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фил)тр, у11ряв;1яемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель, выход которого через регистратор подключен к обмотке обратной связи, а также последовательно соединенные делитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напряжение-ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, причем входы фильтров верхних и низких частот подключены к выходу режекторного фильтра, выход первого интегратора подключен к управляюпдему входу управляемого усилителя, а выход делителя частоты соединен с одним из управляющих входов управляемого ключа, в каждый канал преобразования дополнительно введены последовательно включенные четвертый полосовой фильтр и формирователь управляющего напряжения, при этом вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, вход четвертого полосового фильтра подключен к измерительной обмотке, а выход формирователя управляющего напряжения подключен к второму управляющему входу управляемого ключа.

Введение четвертого фильтра и формирователя управляющего напряжения и их включение в указанной последовательности позволяет осуществлять синхронизацию коммутирующих управляемый ключ напряжений непосредственно от самого преобразуемого сигнала. Это исключает фазовый сдвиг между входным сигналом управляемого ключа и коммутирующими его напряжениями. Потерь информации не происходит даже при разогреве магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника или изменении режимов его работы, что позволяет повысить чувствительность устройства и точность преобразования.

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования).

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

Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1 состоит из магнитопровода 4, вращающейся обмотки 5 и неподвижных измерительной 6, модуляционной 7 обмоток и обмотки 8 обратной связи.

Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмотку 10 и ряд вращающихся идентичных обмоток 11 (например, намотанных скрученным из нескольких жил проводом), число которых равно числу каналов устройства.

Индуктивный токосъемник 3 включает магнитопровод 12, неподвижную обмотку 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 механически 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. Резисторы 17 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 сое5 диненных проводов мало.

Терморезистор 16 располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 15 и его сопротивление однознач« но соответствует температуре спая. Терморезистор 16 может выполняться в виде проволоки из меди или платины, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 15. При небольщих температурах холодного спая термопары 15 возможно использование полупроводниковых терморезисторов. Холодные спаи термопар 15 целесообразно располагать в непосредственной близости друг от друга, чтобы они имели возможно более близкие значения температур. Терморезистор 16 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 токосъемников 1.

Неподвижная обмотка 13 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку 18 измерения температуры холодного спая

термопары.

Неподвижная обмотка 10 индуктивного токосъемника 2 подключена к выходу генератора 19 сигнала подстройки, который представляет собой генератор переменного напряжения, стабильной частоты (2-3 кГц) и стабильной амплитуды, значение которой не влияет существенно на магнитное состояние магнитопроводов магнитомодуляционных токосъемников 1 (единицы-десятки милливольт).

(j Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодуляционных токосъемников 1, одинаковая для каждого канала измерения (показана аппаратура только одного канала), включает себя генератор 20 переменного тока модуляции стабильной

5 частоты и амплитуды тока, согласующий блок 21, режекторный фильтр 22, настроенный на частоту тока модуляции генератора 20, фильтр 23 верхних частот, полоса пропускания которого начинается с частоты, в несколько раз (в 5-4 раза) превышающей частоту тока модуляции генератора 20, первый полосовой фильтр 24, настроенный на частоту сигнала подстройки, демодулятор 25, выделяющий огибающую сигнала подстройки, первый интегратор 26, управляемый усилитель 27, управляющий вход которого подключен к выходу первого интегратора 26, фильтр 28 низких частот, настроенный так, что не пропускает гармоники с частотой, превышающей удвоенную частоту тока модуляции генератора 20 приблизительно в 2,2-2,5 раза, второй полосовой фильтр 29, настроенный на удвоенную частоту тока модуляции генератора 20, управляемый ключ 30, второй интегратор 31, делитель 32 частоты, выход которого подк.пючен к одному из управляющих входов ключа 30, третий полосовой фильтр 33, который выделяет основную гармонику, получаемую после деления делителем 32 частоты, преобразователь 34 напряжение-ток, выход которого подключен к неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодуляционного токосъемника 1, четвертый полосовой фильтр 35, настроенный на вторую гармонику тока модуляции генератора 20, формирователь 36 управляющего напряжения (например одновибратор), выход которого соединен с вторым управляющим входом управляемого ключа 30, и регистратор 37, например стрелочный или цифровой прибор, через который выход управляемого усилителя 27 подключен к обмотке 8 обратной связи магнитомодуляциоиного токосъемника 1. В случае, если выходной сигнал магнитомодуляционного токосъемника 1 снимается не по второй гармонике тока модуляции генератора 20 переменного тока, а по другой гармонике, например но четвертой, то фильтры 28, 29 и 35 должны быть перестроены соответствующим образом, Устройство работает следующим образом (рассматривается работа одного канала). Генератор 20 переменного тока создает в обмотке 7 модуляции магнитомодуляпионного токосъемника 1 ток, амплитуда которого достаточна для введения магнитолровода токосъемника в насыщение. При отсутствии разницы температур меж ду рабочим и холодным спаями вращающейся термопары 5 развиваемая ею ЭДС равна нулю, и постоянный ток во вращающихся цепях не протекает, сигнал подстройки генератора 19 передается с по.ющью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюся цепь термопары 15 (термопара 15, вра щающиеся обмотки 5 и 11 и резистор 17). При этом в неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодуляционного токосъемника 1 наводится ЭДС, состоящая из сигнала подстройки генератора 19 и четных и нечетных гармоник тока модуляции генератора 20. Кроме того, через обмотку 6 гонится синусоидальный ток низкой частоты (5- 10 Гц), формируемый с по.мощью цепи, включающей блоки 20, 32, 33 и 34. результирующий сигнал на об.мотке 6 (1редставляет собой су.ммарный сигнал ЭД( частоты подстройки и гармоник частоты модуляции генератора 20, промодулированный низкочастотны.м синусоидальным напряжeниe.vl. Указанный сигнал проходит через согласующий блок 21 и поступает на вход режекторного фильтра 22, подавляющего первую гармонику тока модуляции генератора 20. Фильтр 23 верхних частот, первый полосовой фильтр 24, демодулятор 25 и интегратор 26 выделяют модулированный по амплитуде сигнал частоты подстройки генератора 19, выделяют и сглаживают его огибающую и подают полученное напряжение на управляющий вход управляемого усилителя 27. При этом значение величины коэффициента усиления усилителя 27 определяется средним значением амплитуды огибающей сигнала подстройки. Одновременно фильтр 28 низких частот и второй полосовой фильтр 29 выделяют вторую гармонику тока модуляции генератора 20, промодулированную низкочастотпы.м синусоидальным нагфяже;1ие.м, которая поступает па вход упранля чого к.чю ча 30. Одно из коммутируюпиг--: улравляс.мый ключ напряжений (низкочастотное) поступает с выхода делителя 32 частоты, а высокочастотное, равное удвоенной частоте тока модуляции генератора 20, формируется с помощью четвертого полосового фильтра 35 и формирователя 36 управляющего напряжения и подается на второй управляющий вход ключа 30, так как формирование высокочастотного коммутирующего на пряжения осуществляется от сигнала второй гармоники генератора 20. то это коммутируюн ее напряжение всегда совпа.л.ает гго фазе с входным напряжением управляемого ключа 30. Поскольку управляе.мый ключ 30 является фазочувстБительным, то в течение одного полупериода низкочастотного коммутируюп1его напряжения он работает как инвертирующий детектор, а в течение друюго полупериода - как неинвертируюш.ий ле тектор. Поэтому при отсутствии разкигти температур между спаями термз.чарь; Г и отсутствии остаточной нймагниченн п-тл материала магнитопровола Nirii itn очп.;.1 .IH ционного токосъемники J его выходное на пряжение /тредставляет гобой положрп -,;, ные и отрицательные полуволны ничк-ч тотного напряжения, заполненные по.ччьлТ нами высокочастотного напряжения, причем площади низкочастотных полуволн при этом равны. Соответственно, на выходе второго интегратора 31 будет нулевой сигнал, и ток по обмотке 8 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1 протекать не будет. В случае, если остаточная намагниченность материала магнитопровода магнито.модуляционного токосъемника 1 отлична от нуля, то остаточный магнитный поток будет либо суммироваться в один из полупериодов низкочастотного магнитного потока, создаваемого обмоткой 6 и преобразователем 34 напряжение-ток, либо вычитаться из него в другом полупериоде. Очевидно, что это приводит к проявлению разности площадей положительной и отрицательной полуволн низкочастотного напряжения после управляемого ключа 30. Пропорциональное разности этих площадей напряжение с выхода второго интегратора 31 усиливается управляемым усилителем 27, и ток, протекающий через регистратор 37 по обмотке 8 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсирует этот ложный сигнал. Поэтому после прогрева аппаратуры перед началом -измерений должен выставляться ноль у регистратора 37. При появлении разности температур между спаями термопары 15 во вращающейся цепи протекает постоянный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии i принципом работы магнитомодуляционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровня второй гармоники тока модуляции генератора 20 в спектре его выходного сигнала на неподвижной измерительной обмотке 6. Изменение амплитуды второй гармоники приводит к соответствующему изменению глубины модуляции ее низкочастотным синусоидальным током преобразователя 34 напряжение-ток. Соотнощение площадей положительной и отрицательной полуволн низкочастотного напряжения на выходе управляемого ключа 30 изменяется. На выходе второго интегратора 31 появляется постоянное напряжение, значение которого пропорционально разности площадей полуволн на выходе управляемого ключа 30 (или разности температур между спаями термопары 15), а знак зависит от направления постоянного тока термопары 15 во вращающейся обмотке 5. Это напряжение преобразуется управляемым усилителем 27 в ток, который через регистратор 37 заводится в обмотку 8 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсируя магнитный поток, развиваемый током термопары 15 во вращающейся обмотке 5. Значение постоянного тока, протекающего через регистратор 37 в обмотке 8 обратной связи, однозначно соответствует разности температур между спаями термопары 15. Окончательное 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. Блок 18 измерения температуры холодного спая термопары 15 может быть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивления или с емкостными токосъемниками. Изменения коэффициентов преобразования индуктивного токосъемника 2 или магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменениях температуры окружающей среды, изменяющей активные сопротивления обмоток, магнитные свойства материала магнитопровода, величины воздущных зазоров и т. п., компенсируются с помощью цепи преобразования сигнала подстройки, включающей блоки 21-27. При этом изменения уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 26 с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемого усилителя 27, изменяя его коэффициент усиления так, что коэффициент преобразования тракта, включающего магнитомодуляционный токосъемник 1, линию связи, блоки 21, 22, 28, 29, 30, 31 и 27, оставался постоянным. Тем са.мым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрешности преобразования. Аддитивная составляющая погрещности преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 устраняется с помощью дополнительной модуляции, осуществляемой с помощью цепи, состоящей из блоков 20, 32, 33 и 34. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной полуволн после управляемого ключа 30 (одинаковое уменьшение или одинаковое увеличение) при изменении магнитных свойств при колебаниях температуры, так что разность их остается постоянной. Таким образом, предлагаемое устройство имеет повыщенную чувствительность и точность преобразования по сравнению с прототипом, так как потерь информации в нем на управляемом ключе 30 из-за разности фаз входного и коммутирующих напряжений не происходит. В макете устройства, реализованного в лабораторных условиях, увеличение уровня входного сигнала после второго интегратора 31 при установке нулевого сдвига фаз входного и коммутирующего высокочастотного напряжений на управляемом ключе 30 с помощью настройки формирователя 36 управляющего напряжения (одновибратора) составило около 18% по сравнению с прототипом. При этом увеличение уровня выходного сигнала второго интегратора 31 при изменении режимов работы магнитомодуляционного токосъемника 1 оставалось постоянным.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет повысить точность и достоверность определения запасов прочности у разрабатываемых газотурбинных двигателей, вращающихся печей, ультрацентрифуг и т. п. при проведении их экспериментальных исследований и доводке. Использование устройства в различных отраслях промышленности, где требуется осуществлять непрерывный контроль температуры вращающихся объектов, позволит оптимизировать производственные процессы и получить значительное количество дополнительной продукции без капитальных вложений.

Использование предлагаемого устройства для термометрирования турбин разрабатываемых газотурбинных двигателей позволит получить экономический эффект до 25-40 тыс. руб. в год.

Формула изобретения

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 Р1ецодвижно расположенные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника и термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной

обмотке, согласующий блок, подключенный к модуляционной обмотке, режекторный фильтр, подключенный к выходу согласующего блока, последовательно соединенные фильтр верхних частот, первый полосовой

фильтр, демодулятор и первый интегратор, последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фильтр, управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель, выход которого через

регистратор подключен к обмотке обратной связи, а также последовательно соединенные делитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напряжение-ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, причем входы фильтров верхних

и низких частот подключены к выходу режекторного фильтра, выход первого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а выход делителя частоты соединен с одним из управляющих входов управляемого ключа, отличающееся тем, что, с целью повыщения чувствительности и точности преобразования путем уменьщения сдвига фаз между входным и коммутирующим управляемый ключ напряжениями, в каждый канал преобразования

дополнительно введены последовательно включенные четвертый полосовой фильтр и формирователь управляющего напряжения, при этом вход делителя частоты подк тючен к выходу генератора переменного тока, вход четвертого полосового фильтра

подключен к измерительной обмотке, а выход формирователя управляющего напряжения подключен к второму управляющему входу управляемого ключа.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе 1. Сумбурский А. И., Новик В. К. Бесконтактные измерения параметров вращающихся объектов, М., «Машиностроение, (976, с. 13--17.

4.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2992229/18-10, кл. G 01 К 13/08, 08.10.80 (прототип).