CN102161167A - 旋转体多点温度测量热电势信号无线输出方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了旋转体多点温度测量热电势信号无线输出方法与装置，该装置包括K型热电偶、热电势信号采集与发射模块、无线接收模块和PC机；无线接收模块通过导线与PC机连接，多个K型热电偶分别设置在待测温的旋转体上，K型热电偶通过导线与多路电子开关连接；所述电势信号采集与发射模块固定在旋转体尾部中心，或者势信号采集与发射模块套在旋转体上，使电势信号采集与发射模块的重心与旋转体旋转轴同心。本发明PC机把串行采集的信号，根据通道的多少，整理成各个通道在不同时间点采集到的热电势信号序列，实现旋转体多点温度的实时采集、输出和显示，很好地解决了旋转状态下多信号的引出和避免附加热电势产生问题。

Description

旋转体多点温度测量热电势信号无线输出方法与装置

技术领域

本发明涉及一种机械加工部件温度测量，特别是涉及一种热电势信号无线传输的旋转体多点温度测量装置与方法，用于旋转体温度测量。

背景技术

机械装备运行中，很多部件是旋转体，有些情况下需要对这些旋转体的若干点进行温度测量。比如，机械切削机理研究中需要测量车削旋转工件或铣削旋转刀具的温度。目前只见刀具—工件组成的自然热电偶用集流器或顶针、电刷引出一端信号，另一端是在非旋转体上，这些方法都基于电导体将旋转体的热电势信号引出到外部静止的测量电路。如水银集流器是通过一根导线在水银液体中旋转来解决旋转状态下信号输出导线的扭转问题，顶针或电刷式是通过静止硬导体接触旋转硬导体即“刷”的作用来解决旋转状态下信号输出导线的扭转问题。用标准热电偶测量旋转体的温度，热电偶两端都在旋转体上，两端必须彼此绝缘，因此必须解决两根导线的分别引出扭转问题。若用水银或顶针、电刷，则每个标准热电偶需要两套彼此绝缘的引出装置，这样的结构势必非常复杂，如果同时输出多个标准热电偶的信号，其输出装置就更难以实现。更重要的是，这些方法都存在导体之间摩擦的现象，会产生附加热电势，严重影响测量精度。

热电偶是目前可靠和常用的测温传感器。在装备制造和运行中，要对旋转体应用热电偶测温，特别是多点测温，必须要解决多个微弱热电势信号同时传输的问题。旋转状态下，标准热电偶采集到的热电势信号的目前常用输出方法有水银集流器、铜顶针和电刷式等。这些方法的缺点在于：(1)一个标准热电偶的两端分别会采集到一个热电势信号，每输出一个热电势信号需要一套信号引出装置，如果用热电偶同时测量n点的温度就要2n套装置，其结构势必非常复杂；(2)旋转状态下，信号传输导体动、静体之间的摩擦会产生附加热电势，也即热电信号的输出保真困难，影响测量精度。目前只见刀具—工件组成的自然热电偶用水银集流器或顶针、电刷引出一端信号，另一端是在非旋转体上，还未见其他人研究旋转体标准热电偶的信号的引出问题，因为两端都在旋转体上，而两端必须彼此绝缘。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种旋转体多点温度测量信号实时无线输出的方法。

本发明包括多个热电偶、多点测温信号的分时采集和实时滤波、放大、A/D转换、无线发射的电路模块，将之固定在旋转工件或旋转刀具上适当位置，在旋转体之外设置相应的无线接收器以及串行信号处理电路模块、显示仪表或计算机，由无线传输的方式解决旋转体上多个热电偶测温信号转移到外部非旋转仪器电路的问题。旋转体上多点的温度热电信号，被安置在各点的K型热电偶1采集，并通过一个多路电子开关轮流送到放大电路及滤波电路放大及滤波，再进入A/D转换电路转换为数字信号，然后通过无线发射装置向外界发射，外部静止的无线接收模块接收到信号，输往显示仪表或PC机进行显示或处理、储存。

本发明目的通过如下技术方案实现：

一种旋转体多点温度测量热电势信号无线输出装置，包括K型热电偶、热电势信号采集与发射模块、无线接收模块和PC机；所述热电势信号采集与发射模块包括多路电子开关、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、CPU、无线发射模块和电池，多路电子开关、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和CPU依次信号连接，CPU还分别与多路电子开关、无线发射模块和电池连接，电池还分别与多路电子开关、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和无线发射模块连接；所述无线接收模块通过导线与PC机连接，无线发射模块与无线接收模块信号连接；多个K型热电偶分别设置在待测温的旋转体上，K型热电偶通过导线与多路电子开关连接；所述电势信号采集与发射模块固定在旋转体尾部中心，或者势信号采集与发射模块套在旋转体上，使电势信号采集与发射模块的重心与旋转体旋转轴同心。

为进一步实现本发明目的，所述旋转体为车削工件，车削工件通过三爪卡盘固定在车床上，且随三爪卡盘旋转，K型热电偶固定在车削工件上，位于车刀的加工部位附近，电势信号采集与发射模块通过螺栓和铜柱垫片直接固定在车削工件的尾端。

所述旋转体为铣刀，铣削工件固定在铣床上不动，铣刀通过刀夹固定在铣床上，电势信号采集与发射模块为空心的环形装置，电势信号采集与发射模块通过强力胶水固定在刀夹，铣刀穿过环形电势信号采集与发射模块中间通孔，K型热电偶固定在铣刀的前端，靠近铣削工件。

应用上述装置的旋转体多点温度测量热电势信号无线输出方法：测温工作时，启动电势信号采集与发射模块，CPU控制多路电子开关，使得电势信号采集与发射模块从多个K型热电偶采集到的热电势信号轮流进入放大电路及滤波电路，进行热电势信号的放大及滤波；经过放大及滤波电路放大及滤波后的热电势模拟信号进入A/D转换电路，CPU把热电势模拟信号转换为数字信号；经CPU处理得到的热电势数字信号通过无线发射模块发送到外部静止态的无线接收模块，无线接收模块受PC机的控制，接收无线发射装置发射出的信号，无线接收模块把接收到的热电势信号输入到PC机中处理、储存和显示出来。

进一步地，PC机还把经过电势信号采集与发射模块放大、A/D转换的信息进行还原，还原后就得到K型热电偶采集的初始值，PC机再根据K型热电偶电势——温度值对应表，把电势信号转换为温度值，实现各点温度的采集、传输和显示。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

(1)应用无线技术替代过去有线技术实现旋转体信号的引出，使得信号引出装置简单，同时避免了动静摩擦产生附加热电势而影响测量精度问题；

(2)切削状态下，特别是旋转刀具温度的测量，温度热电信号采集模块10和刀具固定在一起，如果温度热电信号采集模块10的质心不处在旋转轴上，旋转状态下势必产生离心力，旋转速度越高离心越高，这必然影响机床的性能，为此本发明把温度热电信号采集模块10的PCB板做成环形，让刀具穿过温度采集模块10的PCB板中心，并通过静平衡实验使得温度热电信号采集模块的质心就在环的中心，这样就确保温度热电信号采集模块的质心处在旋转轴上，避免了高速旋转离心力的问题。

附图说明

图1为旋转体多点温度测量热电势信号无线输出装置电路原理图；

图2为车削状态下旋转工件多点温度测量装置结构示意图；

图3为铣削状态下旋转刀具多点温度测量装置结构示意图；

图4为车削时采集与发射模块10固定在车削工件13上的示意图；

图5为铣削时采集与发射模块10固定在铣刀15上的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1所示，一种旋转体多点温度测量热电势信号无线输出装置，包括K型热电偶1、热电势信号采集与发射模块10、无线接收模块8和PC机9；热电势信号采集与发射模块10包括多路电子开关2、放大电路3、滤波电路4、A/D转换电路5、CPU6、无线发射模块7和电池21，多路电子开关2、放大电路3、滤波电路4、A/D转换电路5和CPU6依次信号连接，CPU6还分别与多路电子开关2、无线发射模块7和电池21连接，电池21还分别与多路电子开关2、放大电路3、滤波电路4、A/D转换电路5和无线发射模块7连接；无线接收模块8通过导线与PC机9连接，无线发射模块7与无线接收模块8信号连接。多个K型热电偶1分别设置在待测温的旋转体上，K型热电偶1通过导线把热电信号输入电势信号采集与发射模块10的多路电子开关2；电势信号采集与发射模块10通过螺栓固定在旋转体13尾部中心，或者把电势信号采集与发射模块10套在旋转体15；电势信号采集与发射模块10的重心与旋转体旋转轴同心，避免高速旋转时离心力的产生。

电势信号采集与发射模块10把K型热电偶1采集到的热电势进行了滤波、放大和模数转换，并把信号通过无线发射模块7发射出来；无线接收模块8接收从无线发射模块7发射出的信号；CPU6控制电势信号采集与发射模块10中各个电子元件工作；PC机9把无线接收模块8接收到的来自电势信号采集与发射模块10的信号进行复原、电势与温度值的匹配，也就是说把数据进一步的整理，并把电压值转换为温度值，并按要求显示出来；电势信号采集与发射模块10中多路电子开关2的作用是把从多个K型热电偶1采集到的信号轮流输入放大电路3；放大电路3的作用是把来自K型热电偶1采集的信号进行放大；滤波电路4是把采集到的原始信号中的杂波过滤掉；A/D转换电路5是把模拟信号转换为数字信号；无线发射装置7把来自A/D转换电路5的信号发射出去。

如图2、4所示，车削状态下，车刀11固定在车床上，车削工件13通过三爪卡盘12固定在车床上，且随三爪卡盘12旋转。要测量旋转工件的温度时，把K型热电偶1、电势信号采集与发射模块10都固定在车削工件13上，其中，K型热电偶1固定在车削工件13上，位于车刀11的加工部位附近，电势信号采集与发射模块10通过螺栓18和铜柱垫片19直接固定在车削工件13的尾端，电势信号采集与发射模块10的重心与旋转轴同心，避免高速旋转时离心力的产生。

如图3、5所示，铣削状态下，铣削工件14固定在铣床17上不动，铣刀15作为旋转体加工要铣削工件14，铣刀15通过刀夹20固定在铣床上，电势信号采集与发射模块10制成空心的环形装置，电势信号采集与发射模块10通过强力胶水22固定在刀夹20，铣刀15穿过环形电势信号采集与发射模块10中间通孔，K型热电偶1固定在铣刀15的前端，靠近铣削工件14。K型热电偶1、电势信号采集与发射模块10都固定在铣刀15上，电势信号采集与发射模块10的重心与铣刀15旋转轴同心，避免高速旋转时离心力的产生。

测温工作时，启动电势信号采集与发射模块10，CPU6控制多路电子开关2，使得电势信号采集与发射模块10从多个K型热电偶1采集到的热电势信号轮流进入放大电路3及滤波电路4，进行热电势信号的放大及滤波；经过放大及滤波电路放大及滤波后的热电势模拟信号进入A/D转换电路5，CPU6把热电势模拟信号转换为数字信号；经CPU6处理得到的热电势数字信号通过无线发射模块7发送到外部静止态的无线接收模块8，无线接收模块8受PC机9的控制，接收无线发射装置7发射出的信号，无线接收模块8把接收到的热电势信号输入到PC机9中处理、储存和显示出来。PC机9把经过电势信号采集与发射模块10放大、A/D转换的信息进行还原，还原后就得到K型热电偶1采集的初始值。再根据K型热电偶电势——温度值对应表，把电势信号转换为温度值，从而实现各点温度的采集、传输和显示。

本发明信号采集的起始时间、每次采集的时间间隔、采集信号的通道和这些通道采集信号的顺序是由控制程序事先设定的，这样PC机把采集的信号，根据通道的多少，整理成各个通道在不同时间点采集到的热电势信号序列，并把获得的各通道热电势值还原到原始值，再根据标准热电偶电势值与温度值的对应关系表，把热电势信号转换为温度值。从而实现旋转体多点温度的实时采集、输出和显示。很好地解决了旋转状态下标准热电偶测量多点温度时，多信号的引出和避免附加热电势产生问题。本发明提出把多个标准热电偶采集到的热电势信号通过固定在旋转体上的热电势采集模块内的无线发射电路输出到外部静止态的无线信号接收电路，最后输入到计算机。

Claims (5)

1.一种旋转体多点温度测量热电势信号无线输出装置，其特征在于，包括K型热电偶、热电势信号采集与发射模块、无线接收模块和PC机；所述热电势信号采集与发射模块包括多路电子开关、放大电路、滤波电路、A/D转换电路、CPU、无线发射模块和电池，多路电子开关、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和CPU依次信号连接，CPU还分别与多路电子开关、无线发射模块和电池连接，电池还分别与多路电子开关、放大电路、滤波电路、A/D转换电路和无线发射模块连接；所述无线接收模块通过导线与PC机连接，无线发射模块与无线接收模块信号连接；多个K型热电偶分别设置在待测温的旋转体上，K型热电偶通过导线与多路电子开关连接；所述电势信号采集与发射模块固定在旋转体尾部中心，或者势信号采集与发射模块套在旋转体上，使电势信号采集与发射模块的重心与旋转体旋转轴同心。

2.根据权利要求1所述的旋转体多点温度测量热电势信号无线输出装置，其特征在于：所述旋转体为车削工件，车削工件通过三爪卡盘固定在车床上，且随三爪卡盘旋转，K型热电偶固定在车削工件上，位于车刀的加工部位附近，电势信号采集与发射模块通过螺栓和铜柱垫片直接固定在车削工件的尾端。

3.根据权利要求1所述的旋转体多点温度测量热电势信号无线输出装置，其特征在于：所述旋转体为铣刀，铣削工件固定在铣床上不动，铣刀通过刀夹固定在铣床上，电势信号采集与发射模块为空心的环形装置，电势信号采集与发射模块通过强力胶水固定在刀夹，铣刀穿过环形电势信号采集与发射模块中间通孔，K型热电偶固定在铣刀的前端，靠近铣削工件。

4.应用权利要求1所述装置的旋转体多点温度测量热电势信号无线输出方法，其特征在于：测温工作时，启动电势信号采集与发射模块，CPU控制多路电子开关，使得电势信号采集与发射模块从多个K型热电偶采集到的热电势信号轮流进入放大电路及滤波电路，进行热电势信号的放大及滤波；经过放大及滤波电路放大及滤波后的热电势模拟信号进入A/D转换电路，CPU把热电势模拟信号转换为数字信号；经CPU处理得到的热电势数字信号通过无线发射模块发送到外部静止态的无线接收模块，无线接收模块受PC机的控制，接收无线发射装置发射出的信号，无线接收模块把接收到的热电势信号输入到PC机中处理、储存和显示出来。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：PC机还把经过电势信号采集与发射模块放大、A/D转换的信息进行还原，还原后就得到K型热电偶采集的初始值，PC机再根据K型热电偶电势——温度值对应表，把电势信号转换为温度值，实现各点温度的采集、传输和显示。

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