SU1163164A1 - Многоканальное устройство дл измерени температуры вращающегос объекта - Google Patents

Abstract

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРМ1АЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихс  обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки , подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника , ив каждом канале измерени  термопару , расположенную на вращающемс  объекте, магнитомодул ционный токосъемник , включающий в себ  магнитопровод и неподвижные измерительную , модул ционнзгю обмотки и обмотку обратной св эи, а также вращающуюс  обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюс  обмотку индуктивного токосъемника к термопаре , и вторичную аппаратуру, содержащую соглас.ующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый управл емый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый фильтр верхних частот, полосовой фильтр, демодул тор и первый интегратор, последовательно соединенные второй управл емый ключ, второй интегратор и управл емый усилитель мощности , нагруженный через регистратор на обмотку обратной св зи, генератор переменного тока, подключенный к модул ционной обмотке, поспедовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напр жени  - ток, выход которого подключен к измерительной обмотке а также одновибратор и фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу режекторного фильтра, причем выход первого интегратора подключен к управл (Л ющему, входу управл емого усилител  мощности, выход одновибратора подключен к управл ющему входу первого управл емого ключа, а вход одновиб- ратора и второго управл емого ключа - к выходу делител  частоты, отличающеес  тем, что, а с целью улучшени  динамических 00 характеристик устройства и уменьшени  погрешности преобразовани , в а него введены последовательно соединенные синхронный детектор, второй фильтр верхних частот и асинхронный детектор, причем вход синхронного детектора подключен к выходу фильтра низких частот, выход асинхронного детектора подключен к входу второго управл емого ключа, а управл ющий вход синхронного детектора - к выходу делител  частоты , вход которого соединен с выходом генератора переменного тока.

Description

iI

Изобретение относитс  к информационно-измерительной технике и предназначено дл  контрол  температуры вращающихс  элементов различного оборудование. с помощью термопар.

Известны многокальные устройства дл  измерени  температуры вращающе-« гос  объекта с помощью термопар, сигнал которых преобразуетс  на вращающемс  объекте с помощью дополнительных преобразователей источников питани , усилителей, модул торов , преобразователей напр жение частота и т.п.) в переменный сигнал, который затем передаетс  на неподвиж ную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств (индуктивных , индукционных и емкостных токосъемников ) или по радио- и оптическому каналам pj .

Точность измерени  температуры с помощью этих устройств сравнительно невелика, так как. активные дополнительные преобразователи, расположенные на вращающемс  объекте, внос т при преобразовании сигналов термопар дополнительные погрещности. Кроме того, указанные активные дополнительные преобразователи выполн ютс , как правило, на полупроводниковых элементах, что ограничивает максимальную температуру окружающей среды до 125-150 С, а погрепшости измерени  составл ют при этом не менее 5%. Введение специального охлаждени  полупроводниковых элементов не всегда возможно, и, как правило, нежелательно, так как существенно мен ет энергетические режимы работы собственно вращающихс  объектов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  многоканальное устройство дл  измерени  температуры вращающегос  объекта, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихс  обмоток, равным числу каналов устройства , генератор сигнала подстройки , подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника,и и содержащее в каждом канале измерени  термопару, расположенную на вращающемс  объекте, магнито- модул ционньй токосъемник,включающий магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную, модул ционную обмотки и обмотку обратной св зи.

31642

а также вращающуюс  обмотку, подключенную через соответствующую вра- щающуюс  обмОтку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор 5 переменного тока, подключенный

к модул ционной обмотке, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные 0 второй управл емый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, демодул тор (выпр S митель) и первый интегратор, также последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фильтр, первый управл емый ключ, второй интегратор и управл емый 0 преобразователь напр жение - ток, нагруженный через регистратор на обмотку обратной -св зи, кроме того , последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный 5 к выходу генератора переменного тока , делитель частоты и преобразователь напр жение - ток, выход которого подключен к измерительной обмотке , и одновибратор, вход которого Q подключен к выходу делител  частоты, а выход соединен с управл ющим входом второго управл емого ключа, при этом выход первого интегратора подключен к управл ющему входу первого управл емого преобразовател  напр жение - ток, а управл ющие входы первого управл емого ключа подключены к выходам умножител  и делител  частоты соответственно L2J. 0 Однако известно устройство имеет недостаточно хорошие динамические характеристики и сранительно больщую погрешность преобразовани  при быстрых изменени х входного сигнала 5 термопары.

Это вызвано тем, что необходимые в структуре устройства дл  вьщелени  полезного сигнала второй гармоники генератора тока основной модул ции полосовые фильтры должны выполн тьс  высокодобротными. Вследствие этого они имеют большую инерционность и при подаче на их вход сигналов с крутьми фронтами (оги35 бающа  сигнала дополнительной

модул ции) начинают подвозбуждатьс  (звенеть). Кроме того, на выходе фильтра после прохождени  сигнала

3

по вл етс  переходный процесс большой длительности, который, сум миру сь с полезным сигналом, приводит к увеличению погрешности преобразовани . Поскольку параметры этого переходного процесса завис т от величины входного сигнала и изменени  параметров магнитопровода при колебани х температуры, то исключить эту составл ющую погрешности преобразовани  довольно трудно .

Целью изобретени   вл етс  улучшение динамических характеристик устройства и уменьшение погрешности преобразовани .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в многоканальное устройство дл  измерени  температуры вращанйцегос  объекта, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихс  обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника , и в каждом канале измерени  термопару, расположенную на вращающемс  объекте, магнитомодул ционный токосъемник, включающий в себ  магнитопровод и неподвижные измерительную, модул ционную обмотки и обмотку обратной св зи, а также вращающуюс  обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюс  обмотку индуктивного съемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, содержащую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый управл емый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый фильтр верхних частот , полосовойфильтр, демодул тор и первый интегратор, последовательн соединенные второй управл емый ключ, второй интегратор и управл емый усилитель мощности, нагруженный через регистратор на обмотку обрат- . ной св зи, генератор переменного тока, подключенный к модул ционной

обматке, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напр жение - ток,выход которого подключен к измерительной обмотке , а также одновибратор и фильтр низких частот, вход которого под631644

ключен к выходу режекторного фильтра, причем выход первого интегратора подключен к управл ющему входу .управл емого усилител  мощности,

5 выход одновибратора подключен к управл ющему входу первого управл емого ключа, а вход одновибратора и второго управл емого ключа - к выходу делител  частоты, введены

10 последовательно соединенные синхронный детектор, второй фильтр верхних частот и асинхронный детектор , причем вход синхронного детектора подключен к выходу фильтра

f5 низких частот, выход асинхронного детектора подключен к входу второго . управл емого ключа, а управл ющий вход синхронного детектора - к выхо . ду делител  частоты, вход которого

20 соединен с выходом генератора переменного тока.

На фиг. I приведена функциональна  блок-схема многоканального устройства дл  измерени  температуры вращающихс  объектов (вторична  аппаратура показана дл  одного канала преобразовани  ; на фиг. 2 и 3 - диаграммы напр жений, по сн ющие работу устройства.

0 Устройство содержит магнитомодул ционные токосъемники 1,число которых равно числу каналов измерени  температуры вращающегос  объекта, индуктивный токосъемник 2 дл  переs дачи сигнала подстройки, индуктивный токосъемник 3 дл  контрол  температуры холодного спр  термопар и вторичную аппаратуру.

Каждый магнитомодул ционный токосъемник 1 включает магнитопровод 4, вращающуюс  сигнальную обмотку 5 и р д неподвижных обмоток - измерительную 6, модул ционную 7 и обрат-, ной св зи 8. В. качестве магнитомоду5 л ционного токосъемника I может

. -быть использован любой известный тип преобразователей с продольной, поперечной модул цией.

Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмотку 10 и р д вращающихс  идентичных обмоток 11 (например, скрученных в один провод из нескольких изолированньк жил), число, которых

5 -равно числу каналов устройства.

: Индуктивньй токосъемник 3 включает магнитопровод 12, неподвижную обмотку 13 н вращающуюс  обмотку 14. На вращавидемс  объекте расположены термопары 15, число которых равно числу каналов измерени , тер MOpesucTop 16 и дополнительные резисторы 17, Резисторы 17 обеспечивают требу tttift работы термопар 15, например , режим заданного тока, в случае, если актирное сопротивлени вращающихс  обмоток 5 и 11 токосъемников 1 и 2 и соединенных проводов мало. в1 юре9истор 16 располагаетс  непосредственно на холодном спае о ной из термопар 15 и его сопротивление однозначно соответствует тем пературе спа . Терморезистор 16 может вьшолн тьс  в виде проволоки из меди или платины, намотанной на холодный спай те1 1спары 15. При небольших температурах холодного спа  термопары 15 возможно использование полупроводниковых терморе- зисторов. Холодные спаи Tei 4onap 1 долзкны располагатьс  в непосредственной близости друг от друга, что бы они имели возможно более близки значени  температур. Терморезистор 16 подключаетс  к вращ здейс  обмотке 14 индуктивного токосъемни ка 3. Кажда  из термопар 15 включена последовательно с соответствукэджга вращающейс  обмоткой 1I индуктивного токосъемника 2 и резистором 1 и соединена с враща ндейс  обмоткой 5 соответствующего индуктивного токосъемника 1. Неподвижна  обмотка 13 индзгктивного токосъемника 3 подключена к блоку измерени  температуры холодного спа  тер моп ры i 8. Неподвижна  обмотка 10 индуктив ного токосъемника 2 подключена к выходу генератора 19 сигнала подртройки , которьй представл ет собой генератор переменного напр жени  стабильной частоты (2-3 кГц) и стабильной амплитуды, значение которой не вли ет существенно на магнитное состо ние магннтопроводо магнитомодул ционных токосъемников ( единицы - дес тки милливольт). Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодул цион ных токосъемников I, одинакова  дл каждого канала измерени  (на фиг. показана аппаратура только одного А канала), содержит генератор 20 переменного тока модул ции стабильной частоты и амплитуды, делитель 21 частоты, преобразователь напр жение - ток 22, согласующий блок 23, первый управл емый ключ 24, режекторный фильтр 25, первый фильтр 26, верхних частот, полосовой фнльтр 27, демодул тор 28, первый интегратор 29, фильтр 30 ннзких частот, синхронный детектор 31, второй фильтр 32 верхних частот, асинхронный детектор 33, второй управл емый ключ 34, второй интегратор 35, управл емый усили- тель 36 мощности, регистратор 37 и одновибратор 38. ДелительГ 21 частоты имеет козффициент делени  8 - О, Режекторный фильтр 25 подавл ет первую гармонику тока основной модул ции генерато-.-, ра 20. Первый фильтр 26 верхних частот имеет частоту среза в 2-3 раза меньше частоты сигнала подстройки генератора 20. Полосовой фильтр 27 настроен на частоту сигнала подстройки . Фильтр 30 низких частот имеет частоту сг1еза в 2-3 раза выше частоты второй гармоники тока основной модул ции генератора 20. Второй фильтр 32 верхних частот имеет частоту среза, в 1,2-1,3 раза большую, чем частота, получаема  делением частоты тока генератора 20 на козффициент делени  делител  21. Преобразователь напр жение - ок 22 и управл емьй усилитель 36 мощности имеют достаточно высокое выходное сопротивление (сотни килоом - единицы мегаом). Вход согласующего блока 23 подключен к измерительной обмотке 6. К выходу блока 23 подключены последовательно соединенные ключ 24 и фильтр 25, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтры 26 и 27, демодул тор 28 и интегратор 29. Выход ключа 34 соединен с входом интегратора 35, к выходу которого подключен усилитель 36, нагруженный через регистратор 37 на обмотку 8. Генератор 20 подключен к обмотке 7. Выход делител  21 частотм соединен с входом преобразовател  22, нагруженного на обмотку 6. Вход фильтра 30 под-, лючен к выходу фильтра 25, выход генератора 29 - к Управл ющему входу усилител  36, выход одновибра7

тора 38 - к управл ющему входу ключа 24, а вход одновибратора 38 и ключа 34 - к выходу делител  21. Детектор 31, фильтр 32 и детектор 3 соединены последовательно, причем вход детектора 31 подключен к выхо- ду фильтра 30, выход детектора 33- к входу ключа 34, а управл ющий . вход детектора 3I - к выходу делител  21, вход которого соединен с вы- ходом генератора 20.

Устройство работает следующим образом (рассматриваетс  работа одного канала измерени  температуры),

Генератор 20 возбуждает в модул  ционной обмотке 7 токосъемника 1 ток, который создает магнитный поток в магнитопроводе 4, достаточный дл  насыщени  одного из участков магнитной цепи.

Через измерительную обмотку 6 протекает пр моугольный ток со скважностью, равной двум, формируемый с помощью цепи, состо щей из блоков 20-22.

Одновременно сигнал подстройки генератора 19 передаетс  с помощью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюс  цепь термопары 15 (термопара 15, вращающиес  обмотки 5 и 11 и резистор 17),.

При отсутствии разницы температур между рабочим и холодным спа ми вращающейс  термопары I5 развиваема  ее ЭДС равна нулю, и посто нный ток во вращающейс  цепи не , протекает. Поэтому в неподвижной измерительной обмотке 6 магнито- модул ционного токосъемника 1 наводитс  ЭДС, состо ща  из четных и нечетных гармоник тока основной модул ции генератора 20 и сигнала подстройки, промодулированных низ кочастотным пр моугольным напр жением от тока дополнительной модул ции .

Указанный сигнал проходит сог-. ласующий блок 23 и поступает на вход первого управл емого ключа 24, который срезает коммутационные выбросы , возникающие при скачкообразном изменении напр жени  на измеритрльной обмотке 6 при изменении пол рности тока дополнительной модул ции преобразовател  напр же ние - ток 22. Управление ключом 24 производитс  с помощью перестраиваемого одновибратора 38, синхронизи-

648

рованного от делител  21 частоты, (форма выходного напр жени  первого управл емого ключа 24 ( V) приведена на фиг. 2 а.

Дале° СИ1нал поступает на вход режекторного фильтра 25, который подавл ет первую гармонику частоты тока основной модул ции. С выхода фильтра 25 сигнал поступает на входы фильтров 26 и 30 соответственно верхних и низких частот.

Фильтр 26 выдел ет сигнал подстройки , который затем усиливаетс  полосовым активным фильтром 27, выпр мл етс  демодул тором 28.сигна огибающей интегрируетс  первым интегратором 29 и заводитс  на управл ющий вход управл емого усилител  36 мощности, коэффициент усилени  которого, таким образом, определ етс  уровнем огибающей сигнала подстройки.

Фильтр 30 низких частот вьщел ют преимущественно сигнал второй гармоники тока основной модул ции (информативный сигналJ, который затем подаетс  на вход синхронного детектора 31, управл емого напр жением с выхода делител  21 частоты . После выпр млени  сигнал подаетс  далее на вход фильтра 32 верхних частот, который вьщел ет сигнал второй гармоники тока основной модул ции ген&ратора 20. Фактически здесь происходит потер  низкочастотной составл ющей сигнала , образованной пр моугольным током дополнительной модул ции. (Форма вьпсодного сигнала фильтра 32 (V 2 ) приведена на фиг 2 б).

Далее асинхронный детектор 33 выпр мл ет полученный информативный сигнал (форма выходного напр жени  асинхронного детектора 33 (V) приведена на фиг.2в), а второй упрал емьй ключ 34, который управл етс  напр жением с выхода делител  21 частоты, формирует двухпол рный сигнал , форма которого ( ) приведена на фиг. 2г. Этот сигнал интегрируетс  интегратором 35 и поступает на вход управл емого усилител  36 мощности, затем преобразуетс  в ток, который через регистратор 37 подаетс  в обмотку 8 обратной св зи магнктомодул ционного токосъемник°а

При отсутствии разно.сти температур между спа ми термопарьг 15 и ра . 9

венстве нулю остаточной намагниченности .магнитопровода площади эпюр напр жений положительной и отрицательной пол рностей на выходе асинхронного ключа 34 одинаковы. Поэтому на выходе второго интегратора 35 нулевой сигнал и тпк в обмотке 8 обратной св зи не протекает.

При по влении разности температур между спа ми термопары 15 во вращающейс  цепи протекает посто нный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии с принципом работы магнитомодул ционного токосъемника 1 это вызьшает изменение уровн  второй гармоники тока основной модул ции на измерительной обмотке 6. Поскольку производитс  дополнительна  модул ци  низкочастотным пр моугольным током, то посто нньш магнитный йоток, созданный развиваемой термопарой 15 ЭДС, в один полупериод низкочастотного тока дополнительной модул ции суммируетс  с магнитным потоком дополнительной модул ции, а в другой вычитаетс . Это вызывает увеличение уровн  второй гармоники в один из полупериодов и уменьшение - в другой. Форма входного сигнала первого управл емого ключа 24 имеет ви приведенный на фиг. За (V).

Соответственно на входах блоков 32-34 присутствуют сигналы, имеющие форму, приведенные на фиг. Зб виг соответётвенно,Поскольку пло щади эпюр напр жений положи- ельной и отрицательной пол рностей в этом случае неравны, то на выходе второго интегратора 35 по вл етс  посто нное напр жение, которое преобразуетс  управл емым усилителем 3 в ток, который протекает через регистратор 37 по обмотке 8 обратной св зи, компенсиру  магнитный поток, созданный вращающейс  обмоткой 5. Значение тока компенсации в обмотке 8 обратной св зи однозначно соответствует разности температур между спа ми термопары 15.

Наличие остаточной намагниченности магнитопровода 4 эквивалентно воздействию магнитного потока, создаваемого токсгм термопары 15 во вращающейс  обмотке 5. Остаточный магнитный поток также суммируетс  или вычитаетс  с низкочастотным магнитным потоком дополни6410

тельной модул ции в каждый из полупериодов . В итоге по обмотке 8 обратной св зи протекает ток, компенсирующий . этот ложный сигнал. Поэтому после прогрева аппаратуры перед началом проведени  измерений должен выставл тьс  ноль у регистратора 37.

Окончательно определение температуры вращающегос  объекта в месте закладки термопары 15 производитс  с учетом значени  температуры холодного спа , определ емого с помощью терморезистора 16, индуктивного токосъемника 3 и блока 18 измерени . Этот бпок можетбыть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивлени  или с емкостными токосъемниками .

.Изменени  коэффициента преобразовани  магнитомодул ционного токосъемника 1 при изменени х температуры окружающей среды, привод щих к изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров и т.п., компенсируетс  с помощью цепи преобразовани  сигнала подстройки, включающей блоки 26-29 и 36. При этом изменени  уоовн  огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 29 с обратным знаком подаютс  на управл ющий вход управл емого усилител  36, измен   его коэффициент усилени  таким образом, чтобы коэффициент передачи тракта, включающего магнито- модул ционный токосъемник 1, линию св зи и блоки 23-25, 30-36 Оставалс  посто нным,тем самым в получавщес  компенсационной схеме исключаетс вли ние мультипликативных составл ющих погрещности преобразовани .

Аддитивна  составл юща  погрешности преобразовани  магнитомодул - ционного токосъемника 1 устран етс  с помощью использовани  метода преобразовани , включающего дополнительную модул цию, реализуемую с помощью блоков 20-25, 30-34. При этом используетс  симметри  кривой намагничивани  магнитопровода магнитонодул ционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной площадей эпюр напр жений на выходе асинхронного детектора 34 при изменении магнитных свойств маг

II . 11631642

нитопровода, вызванны.: колебани ми при изменениипараметров окру

температуры. Несмотр  на то, что жающей средыостаетс  посто нэти площади мен ютс , разность их ной.

L

a

vwww

ЛМАЩ t

0W2.Z

а

5

vWvVvV-sAM

33

ЛАЛШЛ ЛШМЛ М«ЛШ t

Фмг.З

Claims (1)

1. МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, ив каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий в себя магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной свяэи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, содержащую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый управляемый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные первый фильтр верхних частот, полосовой фильтр, демодулятор и первый интегратор, последовательно соединенные второй управляемый ключ, второй интегратор и управляемый усилитель мощности, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжения - ток, выход которого подключен к измерительной обмотке^ а также одновибратор и фильтр низких частот, вход которого подключен к выходу режекторного фильтра, причем выход первого интегратора подключен к управляющему, входу управляемого усилителя мощности, выход одновибратора подключен к управляющему входу первого управляемого ключа, а вход одновибратора и второго управляемого ключа - к выходу делителя частоты, отличающееся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик устройства и уменьшения погрешности преобразования, в него введены последовательно соединенные синхронный детектор, второй фильтр верхних частот и асинхронный детектор, причем вход синхронного детектора подключен к выходу фильтра низких частот, выход асинхронного детектора подключен к входу второго управляемого ключа, а управляющий вход синхронного детектора - к выходу делителя частоты , вход которого соединен с выходом генератора переменного тока.

   1 11