CN2139695Y

CN2139695Y - 旋转物体温度的非接触自动快速测量装置

Info

Publication number: CN2139695Y
Application number: CN 92245272
Authority: CN
Inventors: 徐伯雄; 陈宜林
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1992-12-30
Publication date: 1993-08-04
Anticipated expiration: 2002-12-30

Abstract

旋转物体温度的非接触自动快速测量装置，属于对物理量——温度的测量技术领域。本装置包括测量桥路。由热敏电容及谐振线圈组成的多组测温谐振电路、单片机、变频信号发生器、温度信号采集、处理电路、标记回路及显示/输出单元各部分所组成。其特点是省去已有装置的变频电源和阴极示波器等设备，采用单片机及简单的外围电路及预先设置的程序，实现对旋转物体的多点温度非接触测量，具有快速、准确、直观等优点，易于广泛推广应用。

Description

本实用新型属于对物理量的测量技术领域特别涉及对旋转物体温度的测量领域。

测量旋转物体（如电机转子等）温度的方法可分两大类：一是有接触测量，将感温元件的电信号通过电刷与滑环传递到静止部分加以测量；另一类为非接触测温，按其工作原理又分为；（1）光波耦合传送温度信号，（2）无线电波传送温度信号，（3）电磁耦合传送温度信号等等；前两种方法造价高，实际中推广应用有一定困难，而第（3）种用热敏电容作感温元件，通过非接触的方法检测感温元件回路的频率响应，以测定温度，较前两种方法设备简单、造价低，并可以实现多点温度的测量。这种测量方法的测量装置包括用文氏电桥做成的专用变频电源，与之配合用的一台阴极射线示波器，由热敏电容与电感线圈组成的谐振电路，其中电感线圈安装在被测物的转轴上的旋转园盘上，热敏电容安装在需要测温的地方。其工作原理简述如下：热敏电容的电容量C随其温度改变而变化，而热敏电容与电感线圈组成的谐振电路，其谐振频率又与电感量与电容量有关，而电感量一定的情况下，谐振频率f₀值即对应热敏电容的温度亦即被测点温度值。采用这种装置，必须用手动的办法调节电源频率，并同时用示波器观察测量电桥中电阻r’p两端电压降信号的频率响应，测得谐振频率f₀值，再由已知的f₀＝f（T）关系求得被测点的温度值，因此，这种装置不足之处在于，既有人的主观因素对测量结果的影响，又不能直接读出被测温度的值，而且所用设备仍较复杂，不易推广应用。

本实用新型的目的在于为克服上述装置的不足之处，设计出一种采用单片机为核心的非接触自动快速测温装置，省去原来装置的变频电源和阴极示波器等设备，同时避免人为因素对测量结果的影响，实现自动、快速测温，直接显示被测温度之值。

本实用新型设计出一种旋转物体温度的非接触自动快速测量装置，其基本构成包括如下各部分：变压器，与变压器付边相连的由电阻r_p及电感线圈L_p与L’_p构成的测量桥路，由谐振线圈L_sn（n≥1）与热敏电容C_sn（n≥1）构成的一个以上的谐振电路，其中所说的一个以上的谐振线圈固定在被测旋转物体轴上的一个旋转园盘上，所说的电感线圈L_p安装在与旋转园盘相邻近的固定支架上，其特征在于还包括用于数据处理的单片机，对测量桥路的输出信号进行采集、处理后送入单片机的信号采集处理单元，对单片机数据处理结果进行显示／输出的数据显示／输出单元，由D／A转换器，跟随器、压控振荡器及滤波稳幅电路构成的变频信号发生器与所说的变压器原边相连。本装置可进行单点测量（即只有一组谐振线圈L_s1，C_s1）也可进行多点测量（即有L_sn，C_sn其中n＞1），进行多点测量时还要包括标记用的固定在园盘上的电感线圈L_st及固定电容C_st安装在固定支架上的L_pt，由固定频率电源与测量桥路组成的标记回路。

本实用新型的基本特点是采用单片机及相应的外围电路及予先编制并固化在单片机存储器中的程序，省去了已有技术中的变频电源和阴极示波器等设备，实现对旋转物体温度的非接触自动快速测量。

本装置进行多点测量的工作原理如图1所示，图中的旋转园盘是用非磁性材料做成，装在被测旋转物体的转轴上，热敏电容C_s1，C_s2....C_sn是安装在各测温点，相配的谐振线圈L_s1...L_sn及标记用的电感线圈L_st及固定电容C_st均固定在园盘上，线圈L_p及L_pt分别装在两个静止的支架上，与装在园盘端面的L_s1...L_sn及L_st之间有适当的间隙，可以通过磁通相耦合，单片机的P₃及P₄口按程序设定不断给D／A转换器送变化的数字量，经D／A转换为连续调节的模拟量电压信号，跟随器的作用是提高带负载的能力，减小电压波动，压控振荡器是将变化的电压信号变为频率为连续可调的方波信号，再经滤波、稳幅电路滤去其中的高次谐波得到基本上为正弦波的变频信号并接到测量桥路的变压器原绕组，测量桥路的作用是通过不断地作频率扫描过程中的频率响应求得各个谐振回路的谐振频率f0，从而即可求出温度值。由测量桥路中电阻r_p两端取出的U_r信号送到温度信号采集、处理单元、经过放大、检波和隔直，得到温度信号包络线的上半部分，送到单片机中的A／D转换输入端ACH4，每一个信号波形可以采集10多个点，用“冒泡法”一一比较得到对应于某一频率的最大值，再用相同方法将对应于多个频率的最大值逐一比较，求得当信号为最大时所对应的频率即谐振频率f0值。通过查对予先测定并存于单片机内存中的各组谐振回路的热敏电容温度T与谐振频率f0关系曲线的数据组，即可求出温度值，该温度值可以通过数码管显示，也可通过微型打印机输出。为了能确定波形图中的某个信号波形是代表那一组谐振电路的信号，在旋转园盘中另外安装了一组固定值电容C_st及电感线圈L_st所组成的谐振电路，其谐振频率为一已知的固定值。它有另一套固定频率的电源及类似的测量桥路组成的标记回路，在静止部分也有一个能与L_st相耦合的线圈L_pt，被测旋转物体每转一圈L_pt与L_st相耦合一次，也同样产生一个谐振信号再经过适当的加工处理后形成一个触发脉冲接到单片机的高速输入端HSI，程序给定D／A转换器由小到大逐步装载。每加载一次后（即变频信号变到一个较高的频率），等接到标记回路的触发信号时，即反复启动A／D转换，把每次转换的结果求出其最大峰值，按顺序存于内存的一定区域，直到下次又接到标记回路的触发信号时，再次按顺序采集到n个信号，一一对应地与上一次的各个信号进行比较，保留其中的大值存于内存的规定区域，如此反复进行下去，即可求得各组测量回路的谐振频率值。

本实用新型用单片机及简单的电子线路实现对旋转物体的多点温度非接触测量，不但具有快速、准确、直观等优点，而且装置结构简单，成本较低，易于推广应用。

附图简要说明：

图1为本实用新型总体结构框图

图2为本实用新型的实施例中测量桥路及测温谐振电路示意图

图3为本实施例中单片机及变频信号发生器电路示意图

图4为本实施例中温度信号采集、处理电路示意图

图5为本实施例测量程序流程框图

图6为本实施例装置外壳面板示意图

本实用新型提供一种用于对电机转子温度测量装置，其组成结构如图2－图5所示，由谐振电路及测量桥路，单片机及变频信号发生器，温度信号采集及处理电路，标记回路及显示／输出单元各部分组成。结合各图详细描述如下：

1、谐振电路及测量桥路如图2所示，旋转园盘是用非磁性材料做成，装在被试电机的轴上与电机的转子一同旋转，热敏电容C_s1...C_sn安装在转子需测温的地点，在园盘端面安装有电感线圈L_s1...L_sn及L_st，它们分别与C_s1...C_sn及C_st相连组成谐振电路，测量桥路由变压器、其付边由上下两段匝数相等的付绕组，相应的电感线圈L_p，L'_p及一个小电阻r_p所组成，其中L_p及L_pt分别安装在两个静止的支架上，与装在园盘端面上的L_s1...L_sn及L_st之间有适当间隙。

2、单片机及变频信号发生器如图3所示，其中单片机采用8098（也可用其他系列的，如MCS－51系列），其P₃及P₄口与D／A转换器（DAC0832）相连，按程序设定不断给D／A送变化的数字量，经D／A转换为连续调节的模拟量电压信号送入跟随器，跟随器由两个运放（LM358）组成，压控振荡器采用74LS624蕊片，它将变化的电压信号变为频率为连续可调的方波信号，滤波、稳幅电路由二个运放（LM357）构成，将方波信号变为近似正弦波的变频信号并接到测量桥路的变压器原绕组。

3、温度信号采集，处理电路如图4所示，由放大电路、检波电路及隔直电路所组成，其输出的温度信号送到8098单片机中10位A／D的输入端ACH4。

4、标记回路及显示／输出单元部分：标记回路组成及工作原理如前所述，不再重复，显示／输出单元可采用数码管显示所测温度值，也可采用微型打印机输出所测温度值。

本实施予先编制的测温程序流程如图5所示，其工作步聚如下：

为了连续地改变测量桥电源的频率值，就需要不断地改变D／A输入的数字量，如8位D／A，即自0－255，（这可以对应于频率为200－900KHz）每调一个数字，频率变化约3KHz，相当于1℃。如开始给D／A赋初值为1，启动D／A转换，其后加一段延时量，为了使D／A输出的模拟电压及相应的频率稳定下来然后再启动A／D进行采样。每一个经放大、滤波后的温度信号波形包络线，经分析计算其宽度约为1.0ms，（对应于电机转速n≈1500rpm及一定的园盘及线圈直径而言，）而每进行一次A／D转换总的约为111个状态周期，对6M晶振约为56us，对12M晶振约为28us，因此对一个波形可采样18点（6M）或36点（12M），按单片机不同值的晶振给寄存器BX赋一定的A／D转换次数，每转换一次BX－1。每次A／D转换的结果与上次的值进行比较，保留其大值，舍弃较小的值，从而得到对应某一频率的温度信号之最大值，并读入此时相应的频率值。改变一个频率后同样又有一个信号最大值，与上次的最大值作比较保留大值，舍弃小值，反复进行，最后可得到信号为最大时对应的频率值。由此频率值即可查出相应的温度值，进行数制的转换后显示出实际的温度之值。以上完成了单点一次测温过程。若每隔0.5或1.0分钟测温一次，则由程序设定每隔一定时间间隔重复上述过程一遍，（测温程序总框图为单点测温）对于多点（设n＝4）测温，由标记回路（其原理类似测量桥路，仅仅其电源f为固定值，如100KHZ，旋转部分的安装的C_st与L_st所组成的谐振回路的f0调整为100KHZ）输出信号经放大整形后得到一个标记脉冲，当然也可用其它方法（如电磁作用）得到标记脉冲，电机每旋转一圈发出一个此脉冲，将它接到8098的HSI（高速输入口），每当D／A给出一个值时，等单片机接收到标记脉冲信号就反复启动A／D转换，并将在时间上顺序排列的（因在园盘周边的空间上为顺序安装的各个线圈）各组温度信号一一进行转换，将其最大值分别存入预定的内存区中，当改变一个频率后又得到n个最大值，将它们分别与内存中所对应的值作比较，同样保留其大值，舍弃小值，如此反复进行，直到全部频率扫描结束时，即可得到n个最大值所对应的n个不同的谐振频率值，从而求得n个被测温度之值。

本实施例装置如图6所示，其仪器箱前面板包括电源开关、测温时间间隔予置选择开关，测量开关，五位数码管组成的温度显示以及微型打印机输出口，仪器后面板包括保险丝插孔，电源线插座，信号输入接口及标记输入接口。

本实施例中的单片机及变频信号发生器、温度信号采集、处理电路均安装在仪器箱内的印刷电路板上，测量桥路及谐振电路，标记回路及固定频率的谐振电路均分别安装在被测旋转物体附近的支架及转动园盘上，其信号通过导线连接到仪器后面板的信号输入接口及标记输入接口与仪器内的各电路相连通。

Claims

1、一种旋转物体温度的非接触自动快速测量装置，包括变压器、与变压器付边相连的由电阻r_p及电感线圈L_p与L′_p构成的测量桥路，由谐振线圈L_an(n≥1)与热敏电容C_an(n≥1)构成的一个以上的谐振电路，其中所说的一个以上的谐振线圈固定在被测旋转物体转轴上的一个旋转园盘上，所说的电感线圈L_p安装在与旋转园盘相邻近的固定支架上，其特征在于还包括用于数据处理的单片机，对测量桥路的输出信号进行采集、处理后送入单片机的信号采集处理单元，对单片机数据处理结果进行显示/输出的数据显示/输出单元，由D/A转换器，跟随器，压控振荡器及滤波稳幅电路构成的变频信号发生器与所说的变压器原边相连。

2、如权利要求1所述的测量装置，其特征在于还包括标记回路，它由固定电容C_st及相应的电感线圈L_st构成的具有固定谐振频率的谐振电路，与L_st进行耦合的电感线圈L_pt，测量桥路及固定频率电源所组成。