Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта Советский патент 1983 года по МПК G01K13/08 

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

По основному авт.св. № 924522 известно многоканёшьное устройство, для измерения температуры вращанщегося объекта, в котором для уменьшения аддитивных составляющих йогрияности преобразования магнитомодуляционных токосъемников производится еще и дополнительная модуляция преобразуемого сигнала низкочастотным синусоидальным током. Устройство . включает индуктивный токосъемник с числом вреидающихся обмоток, равным . числу ка налов устройства, генератор сигн ала подстройки,подключенньй к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержит в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающееся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную, людуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменногчэ тока, подключенный к модуляционной обмотке магнитомодулядиойного токосъемника, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, режекторный фильтр, настроенный на частоту генератора перии1енного тока и подключенный к выходу согласующего

10 блока, последовательно включенные фильтр верхних частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, первый полосовой фильтр, настроенный ца частоту генератора подстройки, демо15д лятор и интегратор, последовательно включенные фильтр низких частот, подключенный ко второму выходу режекторного фильтра, второй полосовой фильтр, настроенный на удвоенную Ч;ас20тоту генератора переменного тока. Управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель, выход которого через регистратор подключен к обмотке, обратной связи магнитомодуляционногэ

25 токосъемника, а также последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный к выходу генератора переменного тока, делитель частоты, третий полосовой фильтр, и преобра30зователь напряжение-ток, нагруженнвай на неподвижную измерительную обмотку магнитомодуляционнбго токосъемника, при этом выход первого интегратора подключен к управляющему входу управ ляемого усилителя а управляющие вхо ды управляемого к}1юча подключены к выходам умножителя и делителя частоты соответственно 1Зо Температура холодных спаев вращаю щихся термопар контролируется с помощью терморезистора, расположенного на холодном спае одной из термопар, второго индуктивного токосъемника, вращающаяся обмотка которого подключена к терморезистору, и блока измерения температуры холодного .спая,под ключенного к неподвижной обмотке второго индуктивного токосъемника. Недостатками известного устройства являются низкие точность и чувствительность. Это объясняется тем, что коммутирующий управляемый ключ напряжения с выходов умножителя и делителячастот не совпадает по фазе с промодулированным напряжением второй гармони- j ки генератора переменного тока на , входе управляемого ключа.Указанный сдвиг фазы возникает из-за, того,, что цепи преобразования сигнала второй гармоники генератора переменного ток (согласующий блок, режекторный фильт фильтр низких частот и второй полосо вой фильтр) и коммутирующий управляе мый ключ осуществляют фазочувствител ное детектирование, то часть информа ции при наличии сдвига фаз между выходными высокочастотным коммутирую-. щим напряжением теряется. Если указанный сдвиг фазы равен 90° то информация будет полностью дотеряна. Цель изобретения - повышение точности и чувствительности многоканаль ного устройства для измерения температуры вращающегося объекта. Поставленная цель достигается тем что в многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта в каждый канал дополнительно введены последовательно соединенные четвертый полосовой фильтр, настроенный на частоту генератора пере менного тока, и фазосдвигающее устройство/ причем вход четвертого полосового фильтра.подключен к выходу генератора переменного тока, а выход фазосдвигающего устройства подключен к входу умножителя частоты. Введение четвертого полосового фильтра и фазосдвигающего устройства и их включение между генератором переменного тока и умножителем частоты позволяет сдвинуть в .нужную сторону фазы высокочастотного и низкочастотного напряжений с выходов умножителя и делителя частоты, коммутирующих уп равляемый ключ. При этом соответствующей подстройкой фазосдвигающего устройства можно выставить нулевой фазовый сдвиг между напряжением второй гармоники генератора переменного тока на входе управляемого ключа и коммутирующего напряжения с выхода умножителя- частоты. Это позволяет избежать потери информации на управляемом ключе и соответственно повысить точность преобразования и чувствительность устройства. На чертеже приведена блок-схема многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования). Устройстйо содержит магнитомодулйционные токосъемники 1, число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъемник 2 для. передачи си нала подстройки, индуктивный (Токосъемник 3 для контроля температуры холодного спая термопары и вторичную аппаратуру. . Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1.состоит из магнитопровода 4, вращающейся обмотки 5 и неподвижных измерительной б, модуляционной 7 обмоток и обмотки обратной связи 8. Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмбтку 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 выполн.ться на одном вашу 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 вращаюсдимся объектом муфтами. На вращающемся объектерасположены 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 соединенных проводов мало. Терморезистор 1& располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 15 и его сопротивле.ние однозначно соответствует температуре спая. Терморезистор 16 может выполняться в виде проволоки из меди или ,ш1атины, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 15.

При небольших температурах холодного спая термопары 15 возможно использованне полупроводниковых термореэисторов. 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 магнитрмодуляционных токосъемников 1. ,

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

Неподвижная обмотка 10 индуктивного токосъемника 2 подключена к выходу генератора сигнала подстройки 19, который представляет собой генератор переменного напряжения стабильной частоты (2-3 кГц) и стабильной амплитуды, значение которой не влияет существенно на магнитное состоя.ние магнитопроводов магнитомодуляционных токосъемников 1 (единицы - десятки милливольт).. , Аппаратура обработки измерительного сигналамодуляционных токосъёмников 1, одинаковая для каждого ка-нала измерения (на. чертеже показана аппаратура только одного канала), включает в себя генератор переменног тока модуляции 20 стабильной частоты и амплитуды тока, согласующий блок 21, режекторный фильтр 22, настроенный на частоту тока модуляции, фильт верхних частот 23, полоса пропускани которого начинается с частоты, в несколько раз (3-4 раза) превышающей частоту тока модуляции генератора 20 первый полосовой фильтр 24, настроенный на частоту сигнала подстройки, демодулятор 25, выделяющий-огибающую сигнала подстройки, первый интеграто 26, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя 27, фильтр низких частот 28, настроенный таким образом, что он 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, умножитель (удвоитель) частоты 32, выход которого подключен к одному из управляющих входов ключа 30, делитель частоты 33, выход которого подключен ко второму управляющему входу ключа 30 и входу третьего

полосового -фильтра 34, выделяющему основную гармонику, получающуюся после деления делителем частоты 33, преобразователь напряжение-ток 35, выход которого подключен к неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодуляционного токосъемника 1, регистратор

36,например стрелочный или цифровой прибор, через который вход управляемого усилителя 27 подключен к обмотке

0 обратной связи 8 магнитомодуляционного токосъемника 1, четвертый полосовой фильтр 37, подключенный к выходу генерато га тока модуляции 20 и вьэделяющий первую гармонику тока модуляции, и фазосдвигающее устройство 38,

5 вход которого подключен к выходу четвертого полосового фильтра 37, а выход подключен ко входу умножителя частоты 32.

В случае, если выходной сигнал

0 магнитомодуляционного токосъемника 1 снимается не по второй гармонике тока модуляции генератора переменного тока 20, а по другой, например четвертой, то умножитель частоты 32 дол5жен производить умножение частоты входного сигнала в 4 раза, а фильтры 28 и 29 должны быть перестроены соответствующим образом.

Устройство работает следующим об0разом (рассматривается работа одйого канала),

Генератор переменного тока 20 создает в Обмотке модуляции 7 магнитомо5дуляционного токосъемника 1 ток, амплитуда которого достаточна для .введения магнитопровода токосъемника

в насыщение..

При отсутствии разницы температур

0 рабочим и холодными спаями вращающейся термопары 15 развиваемая ею ЭДС равна нулю, ПОСТОЯННЕЙ ток во вращающихся цепях не протекает. Сигнал подстройки генератора 19 переда5ется с помощью индуктивного токосъем. ника 2 во вращающуюся цепь термопары 15 (термопара 15, вращающиеся обмотки 5 и 11 и резистор 17), При этом в неподвижной измерите,льной обмотке

0 6 магнитомодуля хионного токосъемника 1 наводится ЭДС, состоящая из сигнала

; подстройки генератора 19 и четных и нечетных гармоник тока модуляции генератора 20. Кроме того, через обмот5ку 6 гонится синусоидальный ток низг кой частоты (5-10 Гц), формируемый с помощью цепи, образованной блоками.

37,38, 32, 33, 34 и 35. Поэтому результирующий сигнал на измерительной

0

обмотке б представляет собой.суммарный сигнал ЭДС подстройки и гармоник частоты тока модуляции генератора 20, промодулированный по амплитуде низкочастотным синусоидальным напряже5нием.

Указанный сигнал проходит через саглс1сующий блок 21 и поступает на вход режекторного фильтра 22, подавляющ€;го первую гармонику тока модуляции генератора 20. Напряжение с е.го выхода поступает на входы фильтра верхних частот 23 и фильтра низких частот 28.

Филь: р верхних частот 23, первый полосовой фильтр 24, демодулятор 25 и интегратор 26 вьаделяют модулированный по амплитуде сигнал частоты подстройки , выделяют и сглаживают его огибающую, которая затем подается на управляющий вход управляемого усилителя 2-7. При этом значение величины коэффициента усиления усилителя -27 определяется средним значением амплитуды огибающей сигнала подстройки.

Одновременно фильтр низких частот 28 и второй полосовой фильтр 29 выделяют вторую гармонику тока модуляции генератора 20, промодулированную низкочастотным синусоидальным напряжением с частотой тока преобразователя напряжение-ток 35, которая поступает на вход управляемого ключа 30.

На управляющие входы ключа 30 подаются низкочастотное прямоугольное напряжение от делителя частоты 33 и прямоугольное напряжение удвоенной частоты модуляции от умножителя частоты 32, поэтому напряжения работают как инвертирующий детектор. Форма напряжения на выходе ключа 30 при отсутствии разности температур между спаями термопары 15 и отсутствии остаточной намагниченности материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 представляеР собой отрицательные и положительные полуволны низкочастотного напряжения дополнительной модуляции,заполненнЕлх полуволнами, синусоидального напряжения второй гармоники частоты тока модуляции генератора 20. Причем площади от рицательной и положительной полуволн должны быть при этих условиях одинаковы, поэтому на выходе второго интегратора 31 будет нулевой сигнал. Соответственно, через регистратор 36 ток по обмотке обратной связи 8 магнитомодуляционного токосъемника I протекать не будет.

В случае если остаточная намагниченность материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 отлична от нуля, то остаточный магнитный notoK будет вычитаться из него в другом полупериоде. Очевидно, что это приводит к появлению разности площадей положительной и отрицательнсй полуволн низкочастотного напряжения после управляемого ключа 30. Пропорциональное разности этих площадей напряжение с выхода второго интегратора 31 усиливается усилите-

лем 27 и ток, протекающий через регистратор 36 по обмотке обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсирует этот ложный сигнал

Поэтому после подогрева аппаратуры перед началом измерений долженвыставлят ся ноль у регистратора 36. При появлении разности температур между спаями термопары 15 во вращающейся цепи протекает постоянны 5 ток, пропорциональный этой разности. В соответствии с принципом работы магнитомодуляционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровня второй гармоники тока модуляции генератора 20 :В спектре его выходного сигнала на неподвижней измерительной обмотке б. Изменение амплитудь второй гармоники приводит к соответствующему изменению глубины модуляции ее низкочастотным током преобразователя напряжгние-ток 35. Соответственно,- при этом изменяется и соотношение площадей отрицательной и положительной полуволн низкочастотного напряжения на выходе управляемого ключа 30. Тогда на выходе второго интегратора 31. появляется постоянное напряжение, значение которого пропорционально разности площадей полуволн на входе ключа 30 (или разности температур между спаями термопары 15), а знак заЪиЪит от направления постоянного тока термопары 15 во вращающейся обмотке 5. Это Напряжение преобразуется управляемым усилителем 27 в ток, который черезрегистратор36 заводится в обмотку обратной связи 8 магнитомодуляг ционного токосъемника 1, компенсируя магнитный поток, раэви-ваемый током термопары 15 во вращающейся обмотке 5.

Зна 1ение постоянного тока, протекающего через регистратор 36, в обмотке обратной связи 8 однозначно соответствует разности температур между спаями термопары 15.

: Окончательное определение темпера:туры вращающегося объекта в месте .закладки термопары 15 производится с учетом значения температуры холодно- го спая, определяемого с помощью терморезистора 16, индуктивного токосъемника 3 и блока измерения 18. .,

Блок измерения 18 температуры холодного спая термопары 15 может быть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивления или с емкостными токосъемниками. . Установка начал5рного нулевого сдвига фазы между напряжением второй гармоники на входе управляемого ключа 30 и коммутирующего напряжения с выхода умножителя частоты 32 производится с помощью фазосдвигающего устройства 28. Сдвиг фазы низкочастотного прямоугольного коммутирующего.напряжения с выхода делителя частоты 33 относительно напряжения второй гармоники частоты тока модуляций генератора 20 в данной структуре мал (фазовый сдвиг, вносимый только одним делителем частоты 33) и не оказывает практически никакого влияния .на работу системы. Измерения коэффициентов преобразования индуктивного токосъемника 2 или магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменении температуры окружающей среды, приводящих к изменению активных сопротивлений обмоток, изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров и т.п., компенсируются с помощью цепи преобразования тестового сигнала, включающего блоки 21-27. При этом изменения уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 26 с обратным знаком подстройки на выходе первого интегратора 26 с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемого усилителя 27, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффициент передачи тракта, включающего магнитомодуляционный токосъемник 1, линию связи, согласующий блок 21, режекторный фильтр 22 фильтр низких частот 28, второй полосовой фильТ|) 29, управляемый ключ 30, второй интегратор 31 и управляемый усилитель 27, оставался постоянным. Тем самым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрещности преобразования. Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 устраняется с помощью дополнительной модуляции, осуществляемой с помощью цепи, состоящей из блоков 37, 38, 32, 33,.34 и 35. 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 и при колебаниях температуры, так что разность их остается постоянной. Таким образом, предложенное устройство по сравнению с известным .имеет повышенную чувствительность и точность преобразования благодаря исключению потерь информации на управляе-г мом ключе 30. из-за сдвига фаз между напряжением второй гармоники.тока модуляции генератора 20 и коммутирующим напряжением с выхода умножителя частоты 32. Увеличение Уровня выходного сигнала после второго интегратора 31 при установке нулевого сдвига фазы на ключе 30 (на макете устройства, реализованного в лабораторных условиях) составляло от В до 22% в зависимости от режима работы магнитомодуляционного токосъемника 1. повышение же чувствительности одновременно позволяет увеличить точность преобразования системы в целом. Предлагаемое устройство позволяет повысить точность и достоверность определения запасов прочности у разрабатываемых газотурбинных двигателей, вращающихся печей, ультрацентрифуг и т.д., при проведении их экспериментальных исследований и доводке. Использование предлагаемого устройства в различных отраслях прокелиленности, где требуется осу1г1ествлять непрерывный контроль температуры вращающихся объектов, позволит оптимизировать производственные процессы и получить значительное количество дополнительной продукции без капитальных-вложений . Использование одного экземпляра предлагаемого устройства для термометрйрования турбин разрабатываемых газотурбинных двигателей позволит получить но экспертной оценке экономическую эффективность по 22-35 тыс.руб в год. Формула изобретения Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта по авт.св. № 924522, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и точности преобразования, в каждый канал дополнительно введены последовательно соединенные четвертый полосовой фильтр и фазосдвигающее устройство, причем вход четвертого полосового фильтра подключен к выходу генератора переменного тока, а выход фазосдвигающего устройства подключен к входуумножителя частоты. Источники информации, .принятые во внимание при экспертизе j 1. Авторское свидетельство СССР : 924522, кл. G 01 К 13/08, 08.10.80 (прототип).