CN103674306A - 一种燃气温度场旋转测量装置 - Google Patents

Abstract

一种燃气温度场旋转测量装置，包括数据采集组件、驱动组件、控制系统。其中数据采集组件包括旋转体、测量感头支杆、热电偶测点，驱动组件包括电动机、传动机构，控制系统包括计算机、A/D板、I/O板、控制器、信号转换箱、位置传感器、位置传感器信号、电动机控制信号、热电偶输出信号；传动机构包括电动机传动轴、减速齿轮机构、旋转体传动轴。通过电动机转动，由电动机传动轴驱动主传动齿轮与传动齿轮啮合减速传动，使旋转体传动轴带动旋转体旋转。每个热电偶测点的分别固定安装在测温感头支杆的梳齿顶部进行温度测量，热电偶测点引线从测温感头支杆引出后，固定在旋转体上，进行分组集束后进入传动轴中心孔引出，连接冰点接入信号转换箱，用一根总线连接到A/D板上，与计算机连接。

Description

一种燃气温度场旋转测量装置

技术领域

本发明涉及一种燃气温度测量装置，尤其涉及一种燃气温度场旋转测量装置。

技术背景

温度场的测量，一般用于微型温度场测量，对于加热系统的排气截面温度场测量，在加热设备行业中也经常使用，主要是按照截面燃气温度场测量要求，把测温感头按照截面要求测点位置采用插入式，固定位置测量。对于精度要求很高的高温燃气温度场测量，要求测点较多，插入式测量会增大排气截面的堵塞比，会造成测量结果偏离实际，误差较大，如分批测量时间长，效果差，而且效率低下，工作人员劳动强度大。对于一些特殊装置的温度场测量来说，如对航空和航天设备上的温度场测量，采用插入温度场测量方法已不能适用。在现有技术200620036779.3《旋转式自动测量装置》专利中采用步进电机通过减速传动机构带动测量机构转动，其测量装置包括信号采集机构、测控仪器、计算机和数字电压表。测控仪包括通道译码电路、继电器切换电路、步进电机控制电路和I/O卡板进入计算机，其旋转式温度信号采集机构包括步进电机、减速器、热电偶和支架；步进电机的动力输出轴与减速器的动力输入轴连接，支架与减速器输出轴连接，热电偶安装在支架上，支架包括三个支臂，各支臂上安装5支热电偶，通过步进电机带动减速装置驱动旋转机构转动进行测量。采用继电器切换电路存在触点干扰较大，可靠性较差；采用步进电机尤其是采用五相作为驱动电机，存在机构、电路复杂，易丢失步，对电偶位置度控制精度不准确。

发明内容

(1)要解决的技术问题

要研制一种燃气温度场的旋转测量装置，需要解决旋转测温的位置准确度和移动时间要求以及测温装置的数据采集和传递技术问题。

(2)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案来实现：

一种燃气温度场旋转测量装置，包括数据采集组件、驱动组件、控制系统；其中数据采集组件包括旋转体、测量感头支杆、热电偶测点，驱动组件包括电动机、传动机构，控制系统包括计算机、A/D板、I/O板、控制器、信号转换箱、位置传感器、位置传感器信号、电动机控制信号、热电偶输出信号；传动机构包括电动机传动轴、减速齿轮机构、旋转体传动轴。减速齿轮机构至少是一对圆锥形减速齿轮，含有主传动齿轮、传动齿轮，安装在齿轮箱内。电动机传动轴与主传动齿轮相连接，旋转体传动轴的输入端与传动齿轮相连接。

所述的旋转体是一种圆环形，由旋转体加强筋支撑，测温感头支杆固定安装在旋转体外部的径向位置上，测温感头支杆整体伸入被测气流中；测温感头支杆的热电偶测点取向正对被测气流方向。旋转体传动轴输出端连接在旋转体加强筋的中心位置；通过电动机转动，由电动机传动轴驱动主传动齿轮与传动齿轮啮合减速传动，使旋转体传动轴带动旋转体旋转。

所述的每个热电偶测点的分别固定安装在测温感头支杆的梳齿顶部进行温度测量，热电偶测点引线从测温感头支杆引出后，固定在旋转体和旋转体加强筋上，进行分组集束后进入传动轴中心孔引出，连接冰点接入信号转换箱，用一根总线连接到A/D板上，与计算机连接。

所述的计算机选用普通计算机，利用机箱内空的PCI插槽安装A/D板和I/O板，采用通用编程技术，实现对测量装置的操控。

所述的电动机选用通用直流电动机，电动机传动轴上安装有位置传感器，位置传感器与电动机传动轴设有联动装置，采用闭环控制方式，采用电动机的现处在的位置与前后每个位置需要旋转的角度值通过对比的方法，可消除累积误差，位置控制精度达到±0.4°；设定目标值与每个位置需要旋转的角度值，可在360°内实现任意角度的温度场进行自动测量，实现实时监控电动机传动轴的旋转角度位置。

在控制箱内安装有控制电动机启动、停止的控制器和信号转换箱；控制器包括变压器、整流滤波器、固态继电器I、固态继电器II；控制器和信号转换箱是对系统信号进行集中和分流，同时为电动机、位置传感器提供电源，对I/O板信号进行处理，为电动机提供控制信号。

所述的变压器输入电压信号为交流电压220V，输出的直流电压信号分为两路，一路为输出直流电5V、1A，另一路为输出直流电27V、15A，分别进入两路整流滤波器；输出直流电5V、1A的整流滤波器接入位置信号传感器；输出直流电27V、15A的整流滤波器分别接入固态继电器Ⅰ和固态继电器II。

所述的电机正、反转信号是通过I/O板提供，采用固态继电器进行切换，以消除采用普通继电器带来的触点干扰；固态继电器也分为两种，即固态继电器Ⅰ和固态继电器Ⅱ；固态继电器Ⅰ接收I/O板中信号A，驱使电动机正向转动；固态继电器Ⅱ接收I/O板中信号B，驱使电动机反向转动。

热电偶输出信号及位置传感器信号选用精度为12bit以上的通道A/D板，可以根据通道数或测量点数确定1个以上，被测温度信号通过热电偶测点引线，采用冰点进行冷端补偿，直接连接到A/D板，采取数字滤波以提高数据采集的精度，通过标定和普通工程单位转换可直接得出测点温度值。

所述的采用闭环控制方式是通过计算机对接收的位置传感器信号、电动机控制信号、热电偶输出信号时进行处理控制过程。当启动测量开始，数据纪录存盘模块打开，纪录电动机轴每次按设定的角座标值x和正向转动值x′，当x′≠x±0.4时，重新返回调整，直至x′＝x±0.4时，完成测量后进入下一角座标值2x；按照测量数据需要也可以反向转动或者任意角座标值nx转动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①按照燃气温度场测量点数量要求，使用转动装置进行测量，通道截面堵塞面积≤1.5％；

②采用旋转体组件结构，加强了测温感头支杆的强度，从而保证了每个测温感头支杆的位置度在±0.4°范围内，提高了测温感头支杆位置度的准确性。

③测温感头支杆采用对称结构，可以有重复检查各测量点的温度值，起到对热电偶相互校对作用，提高了温度场测量值的准确性和重复性。

④温度信号通过A/D板采样，用总线连接进入计算机主机，减少用继电器切换的触点干扰，提高工作可靠性；

⑤选用直流电动机作为驱动电机，加上无触点继电器、I/O板，使控制结构简单，可靠性好，运用位置传感器，可实现实时监控。

附图说明：

图1为一种温度场旋转测量装置系统示意图。

1-测量采集组件2-驱动组件3-控制系统4-位置传感器信号5-电动机控制信号6-热电偶输出信号7-传动机构

图2为测温感头布置示意图。

8-旋转体9-测温感头支杆10-热电偶测点引线11-旋转体传动轴12-旋转体加强筋

图3为图2中测温感头示意图

13-感头支杆安装座14-热电偶测点

图4为传动系统示意图

15-电动机16-控制器17-电动机传动轴18-主传动齿轮19-传动齿轮20-位置传感器21-减速齿轮机构

图5为燃气温度场旋转测量装置原理图

22-冰点23-信号转换箱24-A/D板25-I/O板26-总线27-计算机

图6为燃气温度场旋转测量装置电机控制、驱动原理图

28-220V交流电29-变压器30-直流电Ⅰ31-直流电II32-整流滤波稳压器33-固态继电器Ⅰ34-固态继电器II35-信号A36-信号B

具体实施方式

下面通过具体实例对本发明做进一步详述。以下实施只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，一种温度场旋转测量装置包括数据采集组件1、驱动组件2、控制系统3；其中数据采集组件1包括旋转体8、测温感头支杆9、热电偶测点14，驱动组件2包括电动机15、传动机构7，控制系统3包括计算机27、A/D板24、I/O板25、控制器16、信号转换箱23、位置传感器20、位置传感器信号4、电动机控制信号5、热电偶输出信号6。传动机构7包括电动机传动轴17、减速齿轮机构21、旋转体传动轴11。减速齿轮机构21至少是一对圆锥形减速齿轮，含有主传动齿轮18、传动齿轮19，安装在齿轮箱内。电动机传动轴17与主传动齿轮18相连接，旋转体传动轴11的输入端与传动齿轮18相连接。

所述的旋转体8是一种圆环形，由旋转体加强筋12支撑，测温感头支杆9固定安装在旋转体8外部的径向位置上，测温感头支杆9整体伸入被测气流中。测温感头支杆9的热电偶测点14取向正对被测气流方向。旋转体传动轴19输出端连接在旋转体加强筋12的中心位置；通过电动机15转动，由电动机传动轴17驱动主传动齿轮18与传动齿轮19啮合减速传动，使旋转体传动轴11带动旋转体8旋转。

所述的每个热电偶测点14的分别固定安装在测温感头支杆9的梳齿顶部进行温度测量，热电偶测点引线10从测温感头支杆9引出后，固定在旋转体8和旋转体加强筋12上，进行分组集束后进入旋转体传动轴11的中心孔引出，连接冰点22接入信号转换箱23，用一根总线26连接到A/D板24上，与计算机27连接。

所述的计算机27选用普通PC机，利用机箱内空的PCI插槽安装A/D板24和I/O板25，采用通用编程技术实现对测量装置的操控。

所述的电动机15选用通用直流电动机，电动机传动轴17上安装有位置传感器20，位置传感器20与电动机传动轴17设有联动装置，采用闭环控制方式，在电动机15的现处在的位置与前后每个位置需要旋转的角度值通过对比的方法，可消除积累误差，位置控制精度达到±0.4°；设定目标值与每个位置需要旋转的角度值，可在360°内实现任意角度的温度场的自动测量，实现实时监控电动机传动轴17的旋转角度位置，

在控制箱内安装有控制电动机启动、停止的控制器16和信号转换箱23，控制器16包括变压器29、整流滤波稳压器32、固态继电器Ⅰ33、固态继电器II34；控制器16和信号转换箱23是对系统信号进行集中和分流，同时为电动机15、位置传感器20提供电源；对I/O板25的信号A36和信号B38进行处理，为提供电动机控制信号5。

所述的变压器29输入电压信号为220V交流电28，输出的直流电分为两路，一路为输出直流电Ⅰ30为5V、1A，另一路为输出直流电II31为27V、15A，分别进入两路整流滤波稳压器32；输出直流电Ⅰ30的5V、1A经过整流滤波稳压器32后接入位置信号传感器20；输出直流电II31的27V、15A经过整流滤波稳压器32后分别接入固态继电器I33和固态继电器II34。

所述的电动机15的正向和反向转动信号通过I/O板25提供，通过固态继电器I33或固态继电器II34进行切换，以消除采用普通继电器带来的触点干扰；固态继电器133接收I/O板中信号A35，驱使电动机15正向转动；固态继电器II34接收I/O板中信号B36，驱使电动机15反向转动。

热电偶输出信号6及位置传感器信号4选用精度为12bit以上的通道A/D板24，可以根据通道数或测量点数确定1个以上。被测温度信号通过热电偶测点引线10，采用冰点22进行冷端补偿，直接连接到A/D板24，采取数字滤波以提高数据采集精度，通过标定和普通工程单位转换可直接得出测点温度值。

所述的采用闭环控制方式是通过计算机27对接收的位置传感器信号4、电动机控制信号5、热电偶输出信号6时进行处理控制过程。当启动测量开始，数据纪录存盘模块打开，纪录电动机传动轴17每次按设定的角座标值x和正向转动值x′，当x′≠x±0.4时，重新返回调整，直至x′＝x±0.4时，完成测量后进入下一角座标值2x；按照测量数据需要也可以进行反向转动或者任意角座标值nx转动。

Claims (7)

1.一种燃气温度场旋转测量装置，包括数据采集组件1、驱动组件2、控制系统3；其中数据采集组件1包括旋转体8、测量感头支杆9、热电偶测点14，控制系3统包括计算机27、A/D板24、I/O板25、控制器16、信号转换箱23、位置传感器20、位置传感器信号4、电动机控制信号5、热电偶输出信号6，驱动组件2包括电动机15、传动机构17；所述的传动机构17包括电动机传动轴17、减速齿轮机构21、旋转体传动轴11；减速齿轮机构21至少是一对圆锥形齿轮，含有主传动齿轮18、传动齿轮19，安装在齿轮箱内；旋转体传动轴11输出端连接在旋转体加强筋12的中心；电动机传动轴17与主传动齿轮17相连接，旋转体传动轴11的输入端与传动齿轮19相连接，通过电动机15转动，由电动机传动轴17驱动主传动齿轮18与传动齿轮19啮合减速传动，使旋转体传动轴11带动旋转体8旋转；其特征在于：计算机27选用普通PC机，利用机箱内空的PCI插槽安装A/D板24和I/O板25，实现对测量装置的操控；电动机15选用通用直流电动机，电动机传动轴17上安装有位置传感器20，位置传感器20与电动机传动轴17设有联动装置，采用闭环控制方式；在控制箱内安装有控制电动机启动、停止的控制器16和信号转换箱23。

2.根据权利要求1所述的燃气温度场旋转测量装置，其特征在于：控制器16包括变压器29、整流滤波稳压器32、固态继电器Ⅰ33、固态继电器II34；控制器16和信号转换箱23是对系统信号进行集中和分流，同时为电动机15、位置传感器20提供电源，对I/O板25的信号A36和信号B38进行处理，为提供电动机控制信号5。

3.根据权利要求1或2所述的燃气温度场旋转测量装置，其特征在于：所述的电动机15的正向和反向转动信号通过I/O板25提供，通过固态继电器I33或固态继电器II34进行切换，以消除采用普通继电器带来的触点干扰；固态继电器Ⅰ33接收I/O板中信号A35，驱使电动机15正向转动；固态继电器II34接收I/O板中信号B36，驱使电动机15反向转动。

4.根据权利要求1所述的燃气温度场旋转测量装置，其特征在于：热电偶输出信号6及位置传感器信号4选用精度为12bit以上的通道A/D板24，可以根据通道数或测量点数确定1个以上；被测温度信号通过热电偶测点引线10，采用冰点22进行冷端补偿，直接连接到A/D板24，采集数字滤波以提高数据采集精度，通过标定和普通工程单位转换可直接得出测点温度值。

5.根据权利要求1或2所述的燃气温度场旋转测量装置，其特征在于：所述的变压器29输入电压信号为220V的交流电28，输出的直流电分为两路，一路为输出直流电Ⅰ30为5V、1A，另一路为输出直流电II31为27V、15A，分别进入两路整流滤波稳压器32；输出直流电Ⅰ30经过整流滤波稳压器32后接入位置信号传感器20；输出直流电II31的27V、15A经过整流滤波稳压器32后分别接入固态继电器I33和固态继电器II34。

6.根据权利要求1所述的燃气温度场旋转测量装置，其特征在于：所述的电动机15的现处在的位置与前后每个位置需要旋转的角度值通过对比的方法，可消除积累误差，位置控制精度达到±0.4°；设定目标值与每个位置需要旋转的角度值，可在360°内实现任意角度的温度场的自动测量，实现实时监控电动机传动轴17的旋转角度位置。

7.根据权利要求1所述的燃气温度场旋转测量装置，其特征在于：所述的采用闭环控制方式是通过计算机27对接收的位置传感器信号4、电动机控制信号5、热电偶输出信号6时进行处理控制过程；当启动测量开始，数据纪录存盘模块打开，纪录电动机传动轴17每次按设定的角座标值x和正向转动值x′，当x′≠x±0.4时，重新返回调整，直至x′＝x±0.4时，完成测量后进入下一角座标值2x；按照测量数据需要也可以进行反向转动或者任意角座标值nx转动。

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