RU2110050C1

RU2110050C1 - Device for measurement of rotary object temperature

Info

Publication number: RU2110050C1
Application number: RU95104653A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Васин
Original assignee: Самарский государственный аэрокосмический университет им.С.П.Королева
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1998-04-27
Also published as: RU95104653A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: main 1 and auxiliary 5 dielectric discs secured to rotary object shaft carry transmitting 2.1,...2i,.. . 2n and receiving-compensating 4.1,...4i,...4n coils according to number of thermocouple sensors 7. Two sections of receiving coil 3 connected to measuring instrument 8 and two sections of compensating coil 6 connected to output of regenerator of linearly variable current are arranged on both sides of discs 1, 5 on stationary stator, respectively. Output of synchronization unit 10 is connected to control input of measuring instrument. Temperature is determined by value of code generated by measuring instrument at moment electromotive force of thermocouple sensor 7.i of i-channel becomes equal to electromotive force induced in coil 4.i. Higher measurement accuracy is obtained due to removal of reciprocal influence of fields of transmitting and compensating coils, as well as to uniform field of coil 6 having circular form. EFFECT: higher accuracy of measurement. 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, к устройствам для измерения температуры вращающихся объектов с помощью термоэлектрических датчиков (термопар) с использованием бесконтактных токосъемников индукционного типа. The invention relates to measuring equipment, to devices for measuring the temperature of rotating objects using thermoelectric sensors (thermocouples) using contactless current collectors of induction type.

Известно устройство для измерения температуры вращающихся деталей машины, содержащее размещенные на вращающемся объекте (роторе) термоэлектрические датчики, подключенные к передающим вращающимся катушкам индуктивности по числу датчиков, неподвижно установленную приемную катушку индуктивности, которая образует с вращающимися передающими катушками бесконтактный индукционный токосъемник, и индикаторный измерительный прибор. Электрический сигнал датчика возбуждает в передающей катушке магнитное поле, которое при вращении ротора индуцирует в неподвижной приемной катушке импульс напряжения, амплитуда которого пропорциональна изменяемому сигналу датчика (Авт. свид. N 180833, кл. G 01 K 13/08, БИ N 8, 1966). Недостатком устройства является низкая точность, обусловленная зависимостью амплитуды импульса от скорости вращения и сопротивления измерительной цепи, образованной термопарой и вращающейся передающей катушкой. A device is known for measuring the temperature of rotating parts of a machine, comprising thermoelectric sensors located on a rotating object (rotor) connected to transmitting rotating inductors by the number of sensors, a fixed receiving inductor, which forms a contactless induction current collector with rotating transmitting coils, and an indicator measuring device . The electric signal of the sensor excites a magnetic field in the transmitting coil, which, when the rotor rotates, induces a voltage pulse in the stationary receiving coil, the amplitude of which is proportional to the variable sensor signal (Auth. Certificate N 180833, class G 01 K 13/08, BI N 8, 1966 ) The disadvantage of this device is the low accuracy due to the dependence of the amplitude of the pulse on the speed of rotation and the resistance of the measuring circuit formed by a thermocouple and a rotating transmitting coil.

Известно также устройство для измерения температуры вращающихся объектов, содержащее размещенные на роторе датчики, подключенные к передающим катушкам индукционного токосъемника, неподвижные приемные катушки которого подключены к измерительному прибору, и две неподвижные компенсационные катушки, установленные по обе стороны от плоскости вращения ротора с передающими катушками. Компенсационные катушки электрически связаны между собой и подключены к регулируемому источнику постоянного тока (Авт. свид. N 728003, кл. G 01 K 13/08, БИ N 14, 1980). Кроме того, известно устройство, преобразующее сигналы такого индукционного токосъемника в цифровой код (Авт. свид. N 901850, кл. G 01 K 13/08, БИ N 4, 1982) и устройство с компенсационной катушкой из четырех секций (Авт. свид. N 830154, кл. G 01 K 13/08, БИ N 18, 1981). It is also known a device for measuring the temperature of rotating objects, containing sensors located on the rotor connected to the transmitting coils of the induction current collector, the stationary receiving coils of which are connected to the measuring device, and two stationary compensation coils mounted on both sides of the plane of rotation of the rotor with the transmitting coils. The compensation coils are electrically interconnected and connected to an adjustable constant current source (Auth. Certificate. N 728003, class G 01 K 13/08, BI N 14, 1980). In addition, a device is known that converts the signals of such an induction current collector into a digital code (Auth. Certificate. N 901850, class G 01 K 13/08, BI N 4, 1982) and a device with a compensation coil of four sections (Aut. Certificate. N 830154, CL G 01 K 13/08, BI N 18, 1981).

Недостатком данных устройств является невысокая точность из-за изменения передаточной характеристики узла компенсации в условиях воздействия температур и механических нагрузок. The disadvantage of these devices is the low accuracy due to changes in the transfer characteristics of the compensation unit under the influence of temperatures and mechanical loads.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для измерения температуры вращающихся объектов, содержащее расположенный на валу диэлектрический диск с передающими и приемно-компенсационными катушками, каждая пара которых последовательно соединена между собой и соответствующим термоэлектрическим датчиком температуры, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них и подключенные к индикаторному измерительному прибору, две секции компенсирующей катушки, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсационных катушек симметрично относительно этой плоскости, блок синхронизации, выход которого соединен с управляющим входом генератора линейно изменяющегося тока (Авт. свид. N 1619070, кл. G 01 K 13/08, БИ N 1, 1991). Приемная катушка разнесена с компенсирующей катушкой в пространстве так, что одна из передающих вращающихся катушек расположена между двумя секциями приемной катушки и соосно с ними, а соответствующая приемно-компенсационная катушка расположена между двумя секциями компенсирующей катушки на оси их симметрии. Поле компенсирующей катушки индуцирует в приемно-компенсационной вращающейся катушке постоянную ЭДС, которая вычитается из ЭДС термоэлектрического датчика температуры. О величине сигнала датчика и, следовательно, об измеряемой температуре судят по скорости нарастания тока генератора - линейно изменяющегося тока, при которой выходной сигнал приемной катушки равен нулю, т.е. при которой происходит компенсация ЭДС датчика и ЭДС, индуцируемой в приемно-компенсационной катушке. The closest in technical essence to the proposed device is a device for measuring the temperature of rotating objects, containing a dielectric disk located on the shaft with transmitting and receiving-compensating coils, each pair of which is connected in series with each other and the corresponding thermoelectric temperature sensor, two series-connected sections of the stationary receiving coil mounted symmetrically on both sides of the plane of rotation of the transmitting coils coaxially with one of them connected to the indicator measuring device, two sections of the compensating coil installed motionlessly on both sides of the plane of rotation of the receiving and compensating coils are symmetrical with respect to this plane, the synchronization unit, the output of which is connected to the control input of the ramp generator (Aut. certificate. N 1619070, class G 01 K 13/08, BI N 1, 1991). The receiving coil is spaced with the compensating coil in space so that one of the transmitting rotating coils is located between the two sections of the receiving coil and coaxial with them, and the corresponding receiving and compensating coil is located between the two sections of the compensating coil on the axis of symmetry. The field of the compensating coil induces in the receiving and compensating rotating coil a constant EMF, which is subtracted from the EMF of the thermoelectric temperature sensor. The magnitude of the sensor signal and, therefore, the measured temperature is judged by the rate of rise of the generator current, a linearly varying current at which the output signal of the receiving coil is zero, i.e. at which the compensation of the EMF of the sensor and the EMF induced in the receiver-compensation coil occurs.

Недостатком данного устройства является невысокая точность в большом диапазоне скоростей вращения ротора. Это обусловлено тем, что длина компенсирующей катушки составляет 4 - 6 диаметров приемно-компенсационной катушки. Поэтому при большом диапазоне скоростей вращения ротора начинают оказывать влияние краевые эффекты поля катушки. Простое увеличение длины компенсирующей катушки невозможно, поскольку поле чрезмерно длинной компенсирующей катушки будет влиять на поле приемной катушки. The disadvantage of this device is the low accuracy in a wide range of rotor speeds. This is due to the fact that the length of the compensating coil is 4 to 6 diameters of the receiving-compensating coil. Therefore, with a wide range of rotor speeds, the edge effects of the coil field begin to influence. A simple increase in the length of the compensating coil is not possible, since the field of an excessively long compensating coil will affect the field of the receiving coil.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности устройства. The aim of the invention is to improve the accuracy of the device.

Поставленная задача достигается тем, что в устройстве для измерения температуры вращающихся объектов, содержащем расположенный на валу вращающегося объекта диэлектрический диск с передающими катушками по числу каналов, каждая из которых последовательно соединена с соответствующим термоэлектрическим датчиком температуры и приемно-компенсационной катушкой, две последовательно соединенные секции неподвижной приемной катушки, установленные симметрично по обе стороны от плоскости вращения передающих катушек соосно с одной из них и подключенные к измерительному прибору, две секции компенсирующей катушки, витки которой расположены вдоль окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, установленные неподвижно по обе стороны от плоскости вращения приемно-компенсационных катушек симметрично этой плоскости, подключенные к выходу генератора линейно изменяющегося тока, и блок синхронизации, согласно изобретению приемно-компенсационные катушки размещены на введенном в устройство дополнительном диэлектрическом диске, закрепленном на валу вращающегося объекта с пространственным разнесением по отношению к основному диску, а витки компенсирующей катушки расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек. The problem is achieved in that in a device for measuring the temperature of rotating objects, containing a dielectric disk located on the shaft of a rotating object with transmitting coils in the number of channels, each of which is connected in series with a corresponding thermoelectric temperature sensor and a receiving-compensating coil, two sections connected in series motionless receiving coil mounted symmetrically on both sides of the plane of rotation of the transmitting coils coaxially with one of them and connected to the measuring device, two sections of the compensating coil, the turns of which are located along the circle formed by the centers of the rotating receiving and compensating coils, mounted motionless on both sides of the plane of rotation of the receiving and compensating coils symmetrically to this plane, connected to the output of the ramp generator, and a block synchronization, according to the invention, the receiving-compensating coils are placed on the additional dielectric disk inserted into the device, mounted on the VA a rotating object with spatial diversity in relation to the main disk, and the turns of the compensating coil are located along the entire circumference formed by the centers of the rotating receiving-compensating coils.

Поскольку витки компенсирующей катушки расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, т. е. выполнены круговой формы, то магнитное поле, наводимое компенсирующей катушкой, является равномерным по всей длине компенсирующей катушки, краевые эффекты отсутствуют и изменение скорости вращения ротора не влияет на результат измерения. Передающие и приемно-компенсационные катушки, расположенные на разных дисках, разнесены в пространстве для исключения взаимного влияния полей компенсирующей, приемной и передающих катушек, поэтому поле компенсирующей катушки не влияет на поле приемной и наоборот. При необходимости между дисками возможна установка магнитного экрана. Since the turns of the compensating coil are located along the entire circumference formed by the centers of the rotating receiving and compensating coils, that is, they are circular in shape, the magnetic field induced by the compensating coil is uniform along the entire length of the compensating coil, there are no edge effects, and the rotor rotation speed changes does not affect the measurement result. The transmitting and receiving-compensating coils located on different disks are separated in space to exclude the mutual influence of the fields of the compensating, receiving and transmitting coils, therefore, the field of the compensating coil does not affect the receiving field and vice versa. If necessary, a magnetic screen can be installed between the disks.

Автору неизвестны устройства, содержащие признаки, фигурирующие в предлагаемом изобретении в качестве отличительных, которые определяют преимущества данного устройства, а именно повышение точности путем исключения влияния скорости вращения ротора на результат измерения за счет:
а) введения дополнительного диэлектрического диска;
б) размещения на этом диске приемно-компенсационных катушек;
в) крепления дополнительного диска на валу вращающегося объекта с пространственным разнесением по отношению к основному диску для исключения взаимного влияния полей компенсирующей, приемной и передающих катушек;
г) изменения формы компенсирующей катушки, витки которой расположены по всей длине окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек, т.е. компенсирующая катушка выполнена круговой формы.The author does not know devices containing features that are featured in the present invention as distinctive, which determine the advantages of this device, namely improving accuracy by eliminating the influence of the rotor speed on the measurement result due to:
a) the introduction of an additional dielectric disk;
b) placement of receiving-compensation coils on this disk;
c) mounting an additional disk on the shaft of a rotating object with spatial diversity in relation to the main disk to eliminate the mutual influence of the fields of the compensating, receiving and transmitting coils;
d) changes in the shape of the compensating coil, the turns of which are located along the entire circumference formed by the centers of the rotating receiving and compensating coils, i.e. compensating coil made in a circular shape.

На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг.2 - конструкция бесконтактного индукционного токосъемника; на фиг.3 - конструкция узла компенсации; на фиг.4 - временная диаграмма работы устройства. In FIG. 1 shows a functional diagram of a device; figure 2 - design of a contactless induction current collector; figure 3 - design of the compensation node; figure 4 is a timing diagram of the operation of the device.

Устройство (фиг.1, 2) содержит диэлектрический диск 1, который крепится на валу вращающегося объекта. На диске 1 равномерно по окружности установлены передающие катушки 2.1,..., 2.i,...,2n по числу датчиков. На неподвижном основании (статоре) установлена приемная катушка 3 с двумя секциями обмотки, установленными симметрично по обе стороны диэлектрического диска 1 соосно с передающей катушкой 2.i. Приемно-компенсационные катушки 4.1,..., 4.i,..., 4n расположены равномерно по окружности на дополнительном диске 5, который также крепится на валу вращающегося объекта (фиг.3). Симметрично по обе стороны от диска 5 на неподвижном статоре размещены обмотки компенсирующей катушки. Витки катушки 6 расположены вдоль окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек 4 по всей длине окружности. Диск 5 установлен на таком расстоянии от диска 1, чтобы магнитное поле компенсирующей катушки 6 не влияло на поле передающих 2 и приемной 3 катушек. Каждая пара катушек (например 2.i и 4.i) последовательно соединены между собой и подключены к соответствующему датчику 7. i. Обмотки приемной катушки 3 электрически соединены между собой согласно и подключены к входу измерительного прибора 8. Компенсирующая катушка 6 подключена к выходу генератора линейно изменяющегося тока 9 (ГЛИТ). Блок синхронизации 10 аналогичен соответствующему блоку прототипа, а также может быть выполнен по другой схеме, что не имеет принципиального значения. Выход блока синхронизации подключен к управляющему входу измерительного прибора 8. Два выхода измерительного прибора 8 подключены к соответствующим входам генератора 9 для управления им. The device (figure 1, 2) contains a dielectric disk 1, which is mounted on the shaft of a rotating object. On the disk 1, transmitting coils 2.1, ..., 2.i, ..., 2n are uniformly installed around the circumference according to the number of sensors. On a fixed base (stator), a receiving coil 3 is installed with two winding sections mounted symmetrically on both sides of the dielectric disk 1 coaxially with the transmitting coil 2.i. The receiving-compensating coils 4.1, ..., 4.i, ..., 4n are located uniformly around the circumference on an additional disk 5, which is also mounted on the shaft of a rotating object (figure 3). Symmetrically on both sides of the disk 5 on a fixed stator are placed windings of the compensating coil. The turns of the coil 6 are located along a circle formed by the centers of the rotating receiving-compensating coils 4 along the entire circumference. The disk 5 is installed at such a distance from the disk 1 that the magnetic field of the compensating coil 6 does not affect the field of the transmitting 2 and receiving 3 coils. Each pair of coils (for example 2.i and 4.i) are connected in series and connected to the corresponding sensor 7. i. The windings of the receiving coil 3 are electrically interconnected according to and connected to the input of the measuring device 8. The compensating coil 6 is connected to the output of the ramp generator 9 (GLIT). The synchronization block 10 is similar to the corresponding block of the prototype, and can also be performed according to another scheme, which does not matter. The output of the synchronization unit is connected to the control input of the measuring device 8. Two outputs of the measuring device 8 are connected to the corresponding inputs of the generator 9 to control it.

Описание работы устройства приведено на примере i-го канала. Постоянный ток в цепи последовательно соединенных катушек 2.i, 4.i возбуждает в них магнитное поле. Это поле при прохождении катушки 2.i, 4.i между обмотками приемной катушки 3 наводит в ней двуполярный импульс ЭДС U_у (фиг.4), который подается на измерительный прибор 8. Блок синхронизации 10 вырабатывает импульсы, из которых в измерительном приборе 8 формируется временной интервал T_глит (фиг.1, 4). В течение T_глит генератор 9 вырабатывает линейно нарастающий ток I_глит, скорость нарастания которого задается кодом N_к. Значение кода N_к формируется в измерительном приборе 8. На интервале времени T_глит в приемно-компенсационной катушке 4.i наводится постоянная ЭДС E_н, амплитуда которой будет определяться только скоростью нарастания тока в катушке 6, поскольку поле этой катушки является равномерным по всей длине окружности радиуса R (фиг.3) и катушка 4.i движется вдоль этой окружности. В приемной катушке 3 будет индуцирован сигнал U_у, амплитуда которого пропорциональна разности ЭДС термоэлектрического датчика E_xi и наведенной в катушке 4.i ЭДС E_н, т.е. E_xi - E_н. При равенстве этих ЭДС достигается их компенсация, амплитуда сигнала U_у в приемной катушке равна нулю. По скорости нарастания тока генератора 9 при достижении компенсации судят об ЭДС датчика E_xi. Следовательно, значение кода N_к в момент компенсации, т.е. когда U_у = 0, будет однозначно определять ЭДС термоэлектрического датчика E_xi, и по величине N_к определяется измеряемая температура.A description of the operation of the device is given on the example of the i-th channel. The direct current in the circuit of the series-connected coils 2.i, 4.i excites a magnetic field in them. This field when passing the coil 2.i, 4.i between the windings of the receiving coil 3 induces a bipolar EMF pulse U _у (Fig. 4), which is supplied to the measuring device 8. The synchronization unit 10 generates pulses from which in the measuring device 8 the time interval T _{glit is formed} (Figs. 1, 4). During T _glit generator 9 generates a linearly increasing current I _glit , the slew rate of which is set by the code N _to . The value of the code N _k is formed in the measuring device 8. On the time interval T _glit in the receiving and compensating coil 4.i, a constant EMF E _n is induced, the amplitude of which will be determined only by the slew rate of the current in coil 6, since the field of this coil is uniform along the entire length a circle of radius R (FIG. 3) and a coil 4.i moves along this circle. A signal U _y will be induced in the receiving coil 3, the amplitude of which is proportional to the difference in the EMF of the thermoelectric sensor E _xi and the EMF E _n induced in the coil 4.i, i.e. E _xi - E _n . With the equality of these EMFs, their compensation is achieved, the amplitude of the signal U _y in the receiving coil is zero. By the slew rate of the current of the generator 9, when the compensation is reached, judge about the emf of the sensor E _xi . Therefore, the value of the code N _k at the time of compensation, i.e. when U _y = 0, the emf of the thermoelectric sensor E _xi will be uniquely determined, and the measured temperature will be determined from the value of N _k .

Таким образом, устройство позволяет повысить точность за счет изменения формы компенсирующей катушки 6, витки которой расположены вдоль оси окружности, образованной центрами вращающихся приемно-компенсационных катушек 4.l,. ..,4.i,..., 4.n. Поэтому поле катушки 6 является равномерным по всей ее длине и наводимая ЭДС E_н принципиально не зависит от скорости вращения ротора в отличие от прототипа, когда поле компенсирующей катушки было равномерным лишь на некотором участке. Приемно-компенсационные катушки расположены на дополнительном диске, который разнесен в пространстве с основным, что исключает взаимное влияние полей передающей и компенсирующей катушек.Thus, the device allows to increase accuracy by changing the shape of the compensating coil 6, the turns of which are located along the axis of the circle formed by the centers of the rotating receiving-compensating coils 4.l ,. .., 4.i, ..., 4.n. Therefore, the field of the coil 6 is uniform along its entire length and the induced EMF E _n does not fundamentally depend on the rotor speed, unlike the prototype, when the field of the compensating coil was uniform only in some area. The receiving-compensating coils are located on an additional disk, which is spaced in space with the main one, which eliminates the mutual influence of the fields of the transmitting and compensating coils.

Claims

A device for measuring the temperature of rotating objects, containing a dielectric disk located on the shaft of a rotating object with transmitting coils in the number of channels, each of which is connected in series with a corresponding thermoelectric temperature sensor and a receiving-compensating coil, two series-connected sections of a stationary receiving coil installed symmetrically on both sides from the plane of rotation of the transmitting coils coaxially with one of them and connected to the measuring device, two with a compensating coil, the turns of which are located along a circle formed by the centers of the rotating receiving and compensating coils, mounted motionless on both sides of the plane of rotation of the receiving and compensating coils symmetrically to this plane, connected to the output of the ramp generator, and a synchronization unit, characterized in that receiving-compensation coils are placed on an additional dielectric disk introduced into the device, mounted on the shaft of a rotating object with spatial spacing relative to the main drive and the compensating coil windings arranged on the entire circumference, formed by the centers of the rotating exciter-compensating coils.