CN105209873A - 通过增加导线的电阻来测量线圈的均匀温度 - Google Patents

通过增加导线的电阻来测量线圈的均匀温度 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种对盘绕式组件的温度进行测量的方法，该方法包括：将已知的DC电流注入到由电阻材料制造的标准线(1)中，该标准线的电阻根据已知的定律随着温度而变化；测量所述标准线的末端(7a，7b)之间的电位差；以及将电位差转换成标准线的平均温度的计算步骤。所述标准线(1)缠绕在线圈的内部，并且被布置成具有基本上相等的几何结构和位置的、成对关联的一卷“对外”线匝(5)和一卷“对内”线匝(6)。本发明还涉及一种为了能够将该方法和测量设备实施为一个整体而制造的组件。

Description

通过增加导线的电阻来测量线圈的均匀温度
技术领域
本发明涉及对飞机上安装的电气系统进行监测。更具体地说，涉及对盘绕式电气组件的温度进行测量。
背景技术
飞机上安装的相当数量的电子设备(尤其是计算机)都放置在冒着与诸如发动机油之类的在高温下易燃的产品接触的危险的区域中。例如，在这种情况下，安全条例要求每个壳体的外壳温度不能超过204℃的临界温度(发动机油的自燃阈值)。
必须对可能超过该温度的所有的无源组件进行监测以便控制该要求。
更具体地，对于盘绕式组件，目前使用的解决方案由集成在线圈的外部的温度探针组成，在将要超过临界温度时该温度探针会发送警报消息。
该解决方案的第一个缺点是很昂贵，这是因为它引入了附加的特殊装备，即温度探针，该温度探针与要监测的组件无关。它也给集成带来了困难，这是因为温度探针没有被专门地设计成适合于组件。最终，这些温度探针提供了组件的表面上探针的传感器被固定的点处的局部温度。探针给出的温度合格的指示不一定保证组件上其他地方没有超过临界温度。
因此，确定探针的尺寸和放置探针需要表征由探针和盘绕式组件组成的组装件，以便降低超过临界温度或者将假警报发送给检测系统的风险，并且还需要避免由于对要限制线圈的自然发热(尤其是在脉冲类型的应用中)以及要建立对于测量误差的裕度的需求而引起的线圈的尺寸超标的质量和成本方面的影响。
发明内容
本发明的目标是面对这些集成问题时，尤其是针对盘绕式组件，提供一种简单并且健壮的解决方案，同时保证温度测量能够遵守安全水平而不必被迫采用过度的安全裕度。
本发明涉及一种用于对航空应用所用的大功率盘绕式组件的温度进行测量的方法，所述方法包括：测量由电阻材料制造的、其中已知的DC电流流经的标准线的末端之间的电位差，标准线的电阻根据已知的定律随着温度而变化，以及将电位差转换成标准线的平均温度的计算步骤，所述标准线缠绕在线圈的内部，依次被布置成具有基本上相等的几何结构和位置的、成对关联的一卷“对外”线匝和一卷“对内”线匝。该方法其特征在于，所述标准线具有从0.05mm到0.25mm范围内的直径和经调整的长度，以便通过制作至少20个线匝来获得在–60℃与200℃之间变化的温度下有2欧姆与8欧姆之间的电阻的变化。
自此本发明实现了其目标，因为热量产生在组件内部，通过标准线上的测量获得的组件内部的平均温度过高的估算了能够到达表面上的温度。因此，测量越精确，就越接近阈值且同时一定不会超过阈值。此外，尤其针对盘绕式组件，测量必须对由于磁场的存在而引起的任何干扰进行补偿，磁场的渐变生成了其穿过的绕组中的电动势。具有“对外”线匝和“对内”线匝成对互相补偿大大地简化了测量电路。此外，本文的关注点是航空学中的大功率组件，其中线圈的直径可能在1cm到30cm之间变化。在这种背景下，与具有使用非常好的导线，直径大约0.01cm，电阻大约100欧姆的铂探针技术的示例相比，使用具有更大的直径和几欧姆电阻的导线使得能够将该技术集成在组件中且同时有必要保持测量精度。
有利地，在测量的温度范围内其电阻率随着温度而线性变化的导电材料的使用相应地简化了计算。
优选地，标准线由铜制造而成，一种在航空应用的工作范围中电阻率是温度的线性函数的普通材料。
通过将两个导线附接到标准线的末端以测量电位差来获得精确的温度测量。
本发明还涉及一种用于航空应用的大功率盘绕式组件，其特征在于，所述大功率盘绕式组件包括由电阻材料制造的导线，其电阻根据已知的定律随着温度而变化，所述导电材料的导线缠绕在线圈的内部，并且以成对关联的一卷“对外”线匝和一卷“对内”线匝的方式来布置，该一卷“对外”线匝和一卷“对内”线匝具有基本上相等的几何结构和位置，此外，所述标准线具有从0.05mm到0.25mm范围内的直径和经调整的长度，以便通过制作至少20个线匝来获得针对在–60℃与200℃之间变化的温度，2欧姆与8欧姆之间的电阻的变化，以及两个连接件，其能够将所述标准线的末端连接到外部的电子装备。
本发明更具体地涉及一种盘绕式组件，其包括至少两个有源绕组，一个有源绕组围绕另一个有源绕组，并且标准线的线匝插入在两个有源绕组之间。
有利地，该组件包括附接到标准线的末端的两个互补性连接件。
这样的组件能够连接到为了确定组件内部的平均温度而需要的测量用具。
本发明还涉及一种用于航空应用的电子设备，其包括：至少一个根据本发明所述的组件，连接到标准线的末端的用于生成直流电流的装置，用于测量补偿性连接件之间的电位差的装置，以及能够将来自电位差测量装置的信号和所述直流电流上的信息转换成温度信号计算装置。
最后，本发明涉及一种用于制造根据本发明所述的盘绕式组件的方法，包括下述步骤：在将标准线安装在盘绕式组件中之前对标准线的长度进行校准，以便获得给定温度下的给定电阻；以及将两个互补性输出导线连接到与经校准的电阻相对应的标准线的末端。
由于毫欧姆范围内标准线的校准，该制造方法使得能够实现对用于航空学中的盘绕式组件的温度的估算的+/-0.3％的精度。
附图说明
现在参照附图更加详细地描述本发明的非限制性实施例，其中：
图1是盘绕式组件的轴向剖面；
图2是在相反方向上的两匝流通测量电流的概括图；
图3示出了在标准线上用四根导线进行测量的原理。
具体实施方式
例如，如图1中所示的变压器，典型的盘绕式组件包括两个有源绕组2和3。它们被配置成使得外部绕组3围绕内部绕组2，整体包裹着具有中央核心的柱状物4。
组件的发热基本上归因于由于使用较高电流而造成的有源绕组中的焦耳损耗。这是估算大功率盘绕式组件的发热的情况，优选地用于航空应用。因此，小口径规格铜线1缠绕在两个有源绕组之间的圆柱体上。对标准线1在电阻上的变化进行测量使得能够获得代表线圈内部的温度的温度测量值，并且因此超过了在组件的表面上观察到的温度，其中，标准线1在电阻上的变化与组件中的材料随着温度的变化在电阻率上的变化有关。
选择铜是因为它使得能够以小口径导线来获得正确的测量值。此外，与例如在某些温度测量装备中使用的铂相比，铜在电子学中是普通材料。
此外，在描述的组件的制造时易于对设备集成，这是因为在将其与组件的其余部分组装之前，足够在设备的外表面上缠绕标准线1并与此同时在有源绕组2的内部缠绕，这不需要任何附加操作。一般来说，希望对其温度进行监测的组件具有1cm与30cm之间的直径。使用的标准线的直径通常在0.25mm与0.05mm之间，在6欧姆的标称电阻，在环境温度(20℃)下，导致标准线的长度在17米与1.5米之间，也就是说至少20圈。这个长度可能会对组件的最终直径造成影响，导线能够代表0.1％与10％之间的导体的总体积。因此，可以看出该设备按照与标准线的百分比相同数量级的比例干扰了组件的几何结构，这相比于常规手段是很小的。
图1示出了具有两个有源绕组的实施例。在一变体中，涉及了具有多于两个有源绕组的盘绕式组件，标准线缠绕在放置在两个最里面的绕组之间的线圈内部。在另一变体中，涉及单个有源绕组，标准线紧靠着该绕组的内表面缠绕。
在大约-60℃到+200℃的范围内监测盘绕式组件的温度。在该温度范围中，作为温度的函数的铜的电阻率是线性的并且表示为如下形式：
(1)ρ＝ρ0.(1+α.θ)
α＝0.00427(作为温度的函数的铜的电阻率的变化系数)
θ＝用℃表示的温度
ρ0＝0℃时铜的电阻率，单位为欧姆.米(1.6x10-8欧姆.米)
因此，对于给定长度和横截面的标准线，可以获得以类似的方式表示的电阻：
(2)R＝R0.(1+α.θ)
R0＝0℃时标准线的电阻，单位为欧姆。
此外，通过焦耳定律给出电位差，在这种情况下，通过施加一个已知的流经标准线的表示为安培的电流I，通过测量所述标准线的末端处的表示为伏特的电位差U，通过下述公式来容易地获得温度：
(3)θ＝(U/I.R0-1).(1/α)
对于设想的盘绕式组件，在该校准期间寻找的R0的值在2到8欧姆之间。这使得能够具有在操作中组件的期望的温度变化的范围在2到8欧姆之间的几个欧姆的电阻值的变化。如下面以示例的形式详细描述的那样，对于寻找的温度范围(从-60℃到+200℃)，电阻的这种变化的幅度使得能够以大于1％的精度来测量，与常规手段相比有明显改进。
可以设想的是使用除了铜之外的材料。如果材料的电阻率不是温度的线性函数，则温度与电位差U的测量值之间的关系将仅仅是使编程稍微更加复杂一点。有利地，该材料将具有1x10-8与10x10-8欧姆.米之间的电阻率，优选地在1x10-8与7x10-8欧姆.米之间，并且将使得能够制造其电阻将针对盘绕式组件的工作温度的范围在上述范围中大幅度变化的标准线。
然而，为了能够使用该公式，需要消除寄生的电位差的来源。在盘绕式组件的情况下，标准线的绕组具有穿过其的磁通量，等于穿过绕组的磁通量的导数的电动势将出现在末端处(法拉第定律)。
为了补偿该电动势并且为了简化相关联的测量电路，通过将导线从其中间折叠并且然后缠绕该双导线来影响标准线的盘绕。因此，如图2所示，创建了与“对外”线匝5和“对内”线匝6成对关联的两个卷的线匝。这两个线匝基本上具有相同的位置和相同的形式。因此，相同的磁通量Φ穿过它们并且因此在它们的末端处产生的电动势相等并且符号相反。因此在标准线的末端处观察的电动势的合成大体上保持零。
可以设想标准线的绕组的其他几何布置，其与“对外”线匝5和“对内”线匝6成对匹配。在所有情况下，重要的是保持导体的“对外”部分和“对内”部分尽可能彼此接近，包括在绕组的起点处和末端处，以便由此保证磁通量穿过的线匝的表面积相等。
然后通过注入直流电流，能够借助于公式(3)来确定组件的中心处的温度。“低通”类型的滤波用于去除与磁通量穿过的“对外”线匝和“对内”线匝的相等的表面积中的差有关的任何残余电压。
优选地，使用所谓的四线法或者开尔文法来测量电压。在该方法中，考虑与已知的参考温度处的电阻值R0对应并且用于计算的标准线的长度的末端7a和7b。两个互补性导线8a和8b通过硬焊、钎焊或任何其他连接手段附接在这些末端。然后，标准线1通过它的两个末端连接到电流发生装置10，并且两个互补性导线8a和8b连接到用于测量电位的装置，电压表9。电压表9的阻抗非常高，因此流经连接导线的电流是可以忽略的并且在对应于电阻R0的导线的准确长度之上以极大的精度来测量电位差。此外，通过电流发生装置来以较好的精度指示流经标准线的电流的强度。
另一方面，铜导线在它们半径的变化上提供有一定的耐受性。通常，对于具有0.1mm的直径的导线，平均半径可能变化+/-2.5％。因此如果依靠标定数据，则测量的温度的不确定性将在5％附近。
优选地，通过在将标准线集成在组件中之前对标准线进行校准来进一步提高测量的精度。由于标准线的电阻的几个欧姆的数量级(参见表(1)中提供的示例)，因此可以用微欧姆计来执行校准以便实现电阻R0上的大约0.2％的精度。当操作员发现对应于电阻的理论值的精确长度超过6m时(参见表(1)，用于具有可接受公差的实施例)，他将用于电位测量的互补性导线8a和8b连接到对应的末端7a和7b，并且然后将标准线缠绕在盘绕式组件中。该具有已完成的校准的测量装置，与放置在组件旁边的具有当前通用的1％的平均值的温度探针相比，使得能够具备具有+/-0.3％的精度的温度探针。此外，根据本发明的温度探针的制造成本较小。
在一变化的实施例中，用附加的方式通过直接测量末端8a和8b之间的标准线的电阻来消除由与装置10提供的电流值I有关的的不确定因素引入的误差。出于该目的，将已知道值的电阻器放置在电流I的电路上的不受盘绕式组件的温度变化的影响的点处。在该电阻器的末端处测量电位变化，并且直接通过测量的两个电位差之间的比率来获得标准线的电阻。
因此，与装备有温度计的组件相比，飞机中安装的组合件由下述经修改的组件组成，该经修改的组件具有电流发生器，电压表和能够根据已进行的测量来提供温度的计算模块，后三个组件在复杂度方面类似于市场上可买到的欧姆计。
表(1)：关于自耦变压器的示例，在-55℃与+175℃之间的温度上估算测量区域
线匝的平均长度：15cm
线匝的总数：(“对外”和“对内”)：40
使用的导线的长度：6m
导线的平均半径：0.07081035mm；制造公差：+/-2.5％

Claims (13)

1.一种用于对航空应用的大功率盘绕式组件的温度进行测量的方法，所述方法包括：将已知的直流电流注入到由电阻材料制造的标准线(1)中，所述标准线的电阻根据已知的定律随着温度而变化，测量所述标准线的末端(7a，7b)之间的电位差，以及将所述电位差转换成所述标准线的平均温度的计算步骤，
所述标准线(1)缠绕在线圈的内部，并且被布置成具有基本上相等的几何结构和位置的、成对关联的一卷“对外”线匝(5)和一卷“对内”线匝(6)，
所述方法其特征在于，所述标准线(1)具有从0.05mm到0.25mm范围内的直径和经调整的长度，以便通过制作至少20个线匝来获得在–60℃与200℃之间变化的温度下有2欧姆与8欧姆之间的电阻的变化。
2.根据权利要求1所述的用于对盘绕式组件的温度进行测量的方法，其中，所述温度与所述电阻之间的关系在所测量的温度范围中是线性的。
3.根据权利要求1所述的用于对盘绕式组件的温度进行测量的方法，其中，所述标准线的材料是铜。
4.根据权利要求1所述的用于对盘绕式组件的温度进行测量的方法，其中，对所述电位差的所述测量使用附接到所述标准线(1)的所述末端(7a，7b)的两个互补性导线(8a，8b)。
5.一种用于航空应用的大功率盘绕式组件，其特征在于，所述大功率盘绕式组件包括由电阻材料制造的标准线(1)，所述标准线的电阻根据已知的定律随着温度而变化，
所述标准线缠绕在线圈的内部，并且被布置成具有基本上相等的几何结构和位置的、成对关联的一卷“对外”线匝(5)和一卷“对内”线匝(6)，此外，所述标准线(1)具有从0.05mm到0.25mm范围内的直径和经调整的长度，以便通过制作至少20个线匝来获得针对–60℃与200℃之间变化的温度，2欧姆与8欧姆之间的电阻的变化，
以及两个连接件，其能够将所述标准线的末端连接到外部的电子装备。
6.根据权利要求5所述的盘绕式组件，其包括：去往导电线的两个互补性连接件(8a，8b)，所述两个互补性连接件附接到所述标准线的末端(7a，7b)。
7.根据权利要求5所述的盘绕式组件，其包括：至少两个有源绕组(2,3)，一个有源绕组(3)围绕另一个有源绕组(2)并且所述标准线(1)的线匝插入在所述两个有源绕组之间。
8.根据权利要求5所述的盘绕式组件，其中，作为温度在测量的温度范围内的变化的函数，所述标准线的所述电阻的变化是线性的。
9.根据权利要求5所述的盘绕式组件，其中，所述标准线的材料是铜。
10.一种用于航空应用的电子设备，其包括：
至少一个根据权利要求5至9中任一项所述的组件；
连接到标准线(1)的末端用于生成直流电流(10)的装置；
电位差测量装置(9)，其用于测量所述标准线的末端之间的电位差(9)；以及
能够将来自所述电位差测量装置的信号和所述直流电流上的信息转换成温度信号的计算装置。
11.根据权利要求10结合权利要求6所述的用于航空应用的电子设备，其中，所述用于测量电位差的装置连接到所述标准线的末端(7a，7b)处的互补性连接件。
12.一种用于制造根据权利要求6所述的盘绕式组件的方法，包括下述步骤：在将所述标准线安装在所述盘绕式组件中之前对所述末端(7a，7b)之间的所述标准线的长度进行校准，以便获得给定温度下的给定电阻(R0)。
13.根据权利要求12所述的用于制造盘绕式组件的方法，包括下述步骤：将能够连接到外部装备的两个互补性导线(8a，8b)连接到与经校准的电阻相对应的所述标准线(1)的末端(7a，7b)处。
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