SU972266A1 - Многоканальное устройство дл измерени температуры вращающегос объекта - Google Patents

Description

(54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА

1

Изобретение относитс  к температурным измерени м и предназначено дл  многоканального измерени  температуры вращающегос  объекта с помощью термопар.

Известны многоканальные устройства дл  измерени  температуры вращающегос  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 неподвижную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств (индуктивных , индукционных и емкостных токосъемников ) или по радио- и оптическому каналам 1 и 2.

Точность измерени  температуры с по .мощью 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 погрещности 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.

Известны также многоканальные уст ,д ройства дл  измерени  температуры вращающегос  объекта, передача сигналов термопар в которых осуществл етс  с помощью магнитомодул ционныхтокосъемников

бесконтактно, при этом дополнительное преобразование сигнала на объекте не

15 производитс . Использование магнитомодул ционных токосъемников позвол ет расширить диапазон рабочих температур окружающей среды в месте расположени  токосъемников до 300-400°С. Подстройка коэффициента преобразовани  вторичной

20 неподвижной аппаратуры по изменению огибающей специального сигнала подстройки, передаваемого через тракт преобразовани , позвол ет практически полностью устранить мультипликативные составл ющие погрешности преобразовани  токосъемников и уменьшить ногреишость измерени  до 2-3% 3.

Наиболее близким по техггической cyiu ности и достигаемому результату к пред лагаемому  вл етс  многоканальное устройство дл  измерени  температуры вращаюшегос  объекта с помощью термопар, в котором дл  уменьп ени  аддитивных состав л ющих погрешности преобразовани  магнитомодул ционных токосъемников производитс  еше и дополнительиз  модул ци  преобразуемого сигнала низкочастотным синусоидальным током.

Указанное устройство включает индуктивный токосъемник с числом врашающихс  обмоток, равным числу каналов устройства , генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктив ного токосъемника, и содержит в каждом канале измерени  термопару, расположенную на врашающемс  объекте, магнитомодул ционный токосъемник, включаюш,ий магнитонровод и неподвижно расположенные измерительную, модул ционную обмотки и обмотку обратной св зи, а также вращаюш,уюс  обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюс  обмотку индуктивного токосъемника к термопаре , генератор переменного тока, подключенный к модул ционной обмотке, согласуюП-1ИЙ блок, подключенный к измерительной обмотке, режекторный фильтр, подключенный к выходу согласуюп1его блока, последовательно включенные фи.1ьтр верхних частот , первый полосовой (j)njb;i), демоду.1 тор и первый интегратор, последивателыю включенные фильтр низких частот, второй по.юсовой фильтр, управл емый ключ, второй интегратор и управл емый усилитель, выход которого через регистратор подключен к обмотке обратной св зи, а также последовательно соединенные умножитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напр жение-ток , подключенный к измерительной обмотке, при этом входы фильтров верхних частот и низких частот подключены к выходу режекторного фильтра, выход первого интегратора подключен к управл ющему входу управл емого усилител , вход умножител  частоты подключен к выходу генератора переменного тока, а выходы умножител  частоты и делител  частоты подключены к управл ющим входам управл емого ключа.

Температура холодных спаев вращающихс  термопар ко1ггролируетс  с по.мощью терморезистора, расположенного на холодном спае одной из термопар, второго индуктивного токосъемника, вращающа с  обмотка которого подключена к терморезистору , и блока измерени  температуры холодного спа , подключенного к неподвижной обмотке второго индуктивного токосъемника 4.

Недостатком известного устройства  вл етс  высока  чувствительность и точность преобразовани . Это объ сн етс  тем, что коммутирующие управл емый ключ напр жени  с выходов умножител  и делител 

частоты не совпадают по фазе с промодулированным напр жением второй гармоники генератора переменного тока на входе управл емого ключа.

Указанный сдвиг фазы возникает из-за

различи  цепей преобразовани  сигнала второй гармоники генератора переменного тока (согласующий блок, режекторный фильтр, фильтр низких частот и второй полосовой фильтр) и коммутирующих напр жений (умножитель частоты и делитель частоТЫ ), так как управл емый ключ осуществл ет фазочувствительное детектирование, то часть информации при наличии сдвига фаз гер етс . Если этот сдвиг равен 90°, то информаци  будет потер на полностью.

Кроме того, фаза собственно второй гармоники на выходе магнитомодул ционного токосъемника измен етс  при изменении режимов работы (изменение значени  токов модул ции), происходит дополнительное смещение фазы выходного сигнала вто5 эой гармоники относительно коммутирующих напр жений.

Цель изобретени  - повышение чувствительности и точности преобразовани  путем

Q уменьшени  сдвига фаз между входным и коммутирующим управл емый ключ напр жени ми .

Поставленна  цель дости1аегс  тем, что в известном многоканальном устройстве дл  измерени  температуры вращающегос 

5 объекта, включающем индуктивный токосъемник с числом вращающихс  обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенной к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника , и содержащем в каждом канале измерени  термопару, расположенную на вращающемс  объекте, магнитомодул ционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижно распо.тоженные измерительную , модул ционную обмотки и обмот5 ку обратной св зи, а также вращающуюс  обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюс  обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модул ционной обмотке, согласующий блок, под0 ключенный к измерительной обмотке, режекторный фильтр, подключенный к вы.ходу согласующего устройства, соединенные последовательно фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, демодул тор и первый интегратор, последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фил)тр, у11р в;1 емый ключ, второй интегратор и управл емый усилитель, выход которого через регистратор подключен к обмотке обратной св зи, а также последовательно соединенные делитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напр жение-ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, причем входы фильтров верхних и низких частот подключены к выходу режекторного фильтра, выход первого интегратора подключен к управл юпдему входу управл емого усилител , а выход делител  частоты соединен с одним из управл ющих входов управл емого ключа, в каждый канал преобразовани  дополнительно введены последовательно включенные четвертый полосовой фильтр и формирователь управл ющего напр жени , при этом вход делител  частоты подключен к выходу генератора переменного тока, вход четвертого полосового фильтра подключен к измерительной обмотке, а выход формировател  управл ющего напр жени  подключен к второму управл ющему входу управл емого ключа.

Введение четвертого фильтра и формировател  управл ющего напр жени  и их включение в указанной последовательности позвол ет осуществл ть синхронизацию коммутирующих управл емый ключ напр жений непосредственно от самого преобразуемого сигнала. Это исключает фазовый сдвиг между входным сигналом управл емого ключа и коммутирующими его напр жени ми. Потерь информации не происходит даже при разогреве магнитопровода магнитомодул ционного токосъемника или изменении режимов его работы, что позвол ет повысить чувствительность устройства и точность преобразовани .

На чертеже приведена блок-схема предлагаемого многоканального устройства дл  измерени  температуры вращающегос  объекта (вторична  аппаратура показана дл  одного канала преобразовани ).

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

Каждый магнитомодул ционный токосъемник 1 состоит из магнитопровода 4, вращающейс  обмотки 5 и неподвижных измерительной 6, модул ционной 7 обмоток и обмотки 8 обратной св зи.

Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмотку 10 и р д вращающихс  идентичных обмоток 11 (например, намотанных скрученным из нескольких жил проводом), число которых равно числу каналов устройства.

Индуктивный токосъемник 3 включает магнитопровод 12, неподвижную обмотку 13 и вращающуюс  обмотку 14. Все токосъемники конструктивно могут выполн тьс  на одном валу в виде единого блока, стыкуемого с валом вращающегос  объекта или охватывающего вращающийс  объект, или в виде отдельных блоков, валы которых механически соедин ютс  между собой и с вращающимс  объектом муфтами.

На вращающемс  объекте расположены термопары 15, число которых равно числу каналов измерени , терморезистор 16 и дополнительные резисторы 17. Резисторы 17 обеспечивают требуемый режим работы термопар 15, например режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихс  обмоток 5 и 11 токосъемников 1 и 2 соответственно и сое5 диненных проводов мало.

Терморезистор 16 располагаетс  непосредственно на холодном спае одной из термопар 15 и его сопротивление однознач« но соответствует температуре спа . Терморезистор 16 может выполн тьс  в виде проволоки из меди или платины, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 15. При небольщих температурах холодного спа  термопары 15 возможно использование полупроводниковых терморезисторов . Холодные спаи термопар 15 целесообразно располагать в непосредственной близости друг от друга, чтобы они имели возможно более близкие значени  температур . Терморезистор 16 подключен к вращающейс  обмотке 14 индуктивного токосъемника 3.

Термопары 15 включены последовательно с вращающимис  обмотками 11 индуктивного токосъемника 2 и резисторами 17 соответственно и соединены с вращающимис  обмотками 5 соответствующих магнитомодул ционных токосъемников 1.

Неподвижна  обмотка 13 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку 18 измерени  температуры холодного спа 

термопары.

Неподвижна  обмотка 10 индуктивного токосъемника 2 подключена к выходу генератора 19 сигнала подстройки, который 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 магнитопроводов магнитомодул ционных токосъемников 1 (единицы-дес тки милливольт).

(j Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодул ционных токосъемников 1, одинакова  дл  каждого канала измерени  (показана аппаратура только одного канала), включает себ  генератор 20 переменного тока модул ции стабильной

5 частоты и амплитуды тока, согласующий блок 21, режекторный фильтр 22, настроенный на частоту тока модул ции генератора 20, фильтр 23 верхних частот, полоса пропускани  которого начинаетс  с частоты, в несколько раз (в 5-4 раза) превышающей частоту тока модул ции генератора 20, первый полосовой фильтр 24, настроенный на частоту сигнала подстройки, демодул тор 25, выдел ющий огибающую сигнала подстройки, первый интегратор 26, управл емый усилитель 27, управл ющий вход которого подключен к выходу первого интегратора 26, фильтр 28 низких частот, настроенный так, что не пропускает гармоники с частотой, превышающей удвоенную частоту тока модул ции генератора 20 приблизительно в 2,2-2,5 раза, второй полосовой фильтр 29, настроенный на удвоенную частоту тока модул ции генератора 20, управл емый ключ 30, второй интегратор 31, делитель 32 частоты, выход которого подк .пючен к одному из управл ющих входов ключа 30, третий полосовой фильтр 33, который выдел ет основную гармонику, получаемую после делени  делителем 32 частоты , преобразователь 34 напр жение-ток, выход которого подключен к неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодул ционного токосъемника 1, четвертый полосовой фильтр 35, настроенный на вторую гармонику тока модул ции генератора 20, формирователь 36 управл ющего напр жени  (например одновибратор), выход которого соединен с вторым управл ющим входом управл емого ключа 30, и регистратор 37, например стрелочный или цифровой прибор, через который выход управл емого усилител  27 подключен к обмотке 8 обратной св зи магнитомодул циоиного токосъемника 1. В случае, если выходной сигнал магнитомодул ционного токосъемника 1 снимаетс  не по второй гармонике тока модул ции генератора 20 переменного тока, а по другой гармонике, например но четвертой , то фильтры 28, 29 и 35 должны быть перестроены соответствующим образом , Устройство работает следующим образом (рассматриваетс  работа одного канала ). Генератор 20 переменного тока создает в обмотке 7 модул ции магнитомодул пионного токосъемника 1 ток, амплитуда которого достаточна дл  введени  магнитолровода токосъемника в насыщение. При отсутствии разницы температур меж ду рабочим и холодным спа ми вращающейс  термопары 5 развиваема  ею ЭДС равна нулю, и посто нный ток во вращающихс  цеп х не протекает, сигнал подстройки генератора 19 передаетс  с по.ющью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюс  цепь термопары 15 (термопара 15, вра щающиес  обмотки 5 и 11 и резистор 17). При этом в неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодул ционного токосъемника 1 наводитс  ЭДС, состо ща  из сигнала подстройки генератора 19 и четных и нечетных гармоник тока модул ции генератора 20. Кроме того, через обмотку 6 гонитс  синусоидальный ток низкой частоты (5- 10 Гц), формируемый с по.мощью цепи, включающей блоки 20, 32, 33 и 34. результирующий сигнал на об.мотке 6 (1редставл ет собой су.ммарный сигнал ЭД( частоты подстройки и гармоник частоты модул ции генератора 20, промодулированный низкочастотны.м синусоидальным напр жeниe .vl. Указанный сигнал проходит через согласующий блок 21 и поступает на вход режекторного фильтра 22, подавл ющего первую гармонику тока модул ции генератора 20. Фильтр 23 верхних частот, первый полосовой фильтр 24, демодул тор 25 и интегратор 26 выдел ют модулированный по амплитуде сигнал частоты подстройки генератора 19, выдел ют и сглаживают его огибающую и подают полученное напр жение на управл ющий вход управл емого усилител  27. При этом значение величины коэффициента усилени  усилител  27 определ етс  средним значением амплитуды огибающей сигнала подстройки. Одновременно фильтр 28 низких частот и второй полосовой фильтр 29 выдел ют вторую гармонику тока модул ции генератора 20, промодулированную низкочастотпы .м синусоидальным нагф же;1ие.м, котора  поступает па вход упранл  чого к.чю ча 30. Одно из коммутируюпиг--: улравл с.мый ключ напр жений (низкочастотное) поступает с выхода делител  32 частоты, а высокочастотное , равное удвоенной частоте тока модул ции генератора 20, формируетс  с помощью четвертого полосового фильтра 35 и формировател  36 управл ющего напр жени  и подаетс  на второй управл ющий вход ключа 30, так как формирование высокочастотного коммутирующего на пр жени  осуществл етс  от сигнала второй гармоники генератора 20. то это коммутируюн ее напр жение всегда совпа.л.ает гго фазе с входным напр жением управл емого ключа 30. Поскольку управл е.мый ключ 30  вл етс  фазочувстБительным, то в течение одного полупериода низкочастотного коммутируюп1его напр жени  он работает как инвертирующий детектор, а в течение друюго полупериода - как неинвертируюш.ий ле тектор. Поэтому при отсутствии разкигти температур между спа ми термз.чарь; Г и отсутствии остаточной нймагниченн п-тл материала магнитопровола Nirii itn очп.;.1 .IH ционного токосъемники J его выходное на пр жение /тредставл ет гобой положрп -,;, ные и отрицательные полуволны ничк-ч тотного напр жени , заполненные по.ччьлТ нами высокочастотного напр жени , причем площади низкочастотных полуволн при этом равны. Соответственно, на выходе второго интегратора 31 будет нулевой сигнал , и ток по обмотке 8 обратной св зи магнитомодул ционного токосъемника 1 протекать не будет. В случае, если остаточна  намагниченность материала магнитопровода магнито .модул ционного токосъемника 1 отлична от нул , то остаточный магнитный поток будет либо суммироватьс  в один из полупериодов низкочастотного магнитного потока , создаваемого обмоткой 6 и преобразователем 34 напр жение-ток, либо вычитатьс  из него в другом полупериоде. Очевидно , что это приводит к про влению разности площадей положительной и отрицательной полуволн низкочастотного напр жени  после управл емого ключа 30. Пропорциональное разности этих площадей напр жение с выхода второго интегратора 31 усиливаетс  управл емым усилителем 27, и ток, протекающий через регистратор 37 по обмотке 8 обратной св зи магнитомодул ционного токосъемника 1, компенсирует этот ложный сигнал. Поэтому после прогрева аппаратуры перед началом -измерений должен выставл тьс  ноль у регистратора 37. При по влении разности температур между спа ми термопары 15 во вращающейс  цепи протекает посто нный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии i принципом работы магнитомодул ционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровн  второй гармоники тока модул ции генератора 20 в спектре его выходного сигнала на неподвижной измерительной обмотке 6. Изменение амплитуды второй гармоники приводит к соответствующему изменению глубины модул ции ее низкочастотным синусоидальным током преобразовател  34 напр жение-ток. Соотнощение площадей положительной и отрицательной полуволн низкочастотного напр жени  на выходе управл емого ключа 30 измен етс . На выходе второго интегратора 31 по вл етс  посто нное напр жение, значение которого пропорционально разности площадей полуволн на выходе управл емого ключа 30 (или разности температур между спа ми термопары 15), а знак зависит от направлени  посто нного тока термопары 15 во вращающейс  обмотке 5. Это напр жение преобразуетс  управл емым усилителем 27 в ток, который через регистратор 37 заводитс  в обмотку 8 обратной св зи магнитомодул ционного токосъемника 1, компенсиру  магнитный поток, развиваемый током термопары 15 во вращающейс  обмотке 5. Значение посто нного тока, протекающего через регистратор 37 в обмотке 8 обратной св зи, однозначно соответствует разности температур между спа ми термопары 15. Окончательное 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 . Блок 18 измерени  температуры холодного спа  термопары 15 может быть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивлени  или с емкостными токосъемниками. Изменени  коэффициентов преобразовани  индуктивного токосъемника 2 или магнитомодул ционного токосъемника 1 при изменени х температуры окружающей среды , измен ющей активные сопротивлени  обмоток, магнитные свойства материала магнитопровода, величины воздущных зазоров и т. п., компенсируютс  с помощью цепи преобразовани  сигнала подстройки, включающей блоки 21-27. При этом изменени  уровн  огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 26 с обратным знаком подаютс  на управл ющий вход управл емого усилител  27, измен   его коэффициент усилени  так, что коэффициент преобразовани  тракта, включающего магнитомодул ционный токосъемник 1, линию св зи, блоки 21, 22, 28, 29, 30, 31 и 27, оставалс  посто нным. Тем са.мым в получающейс  компенсационной схеме исключаетс  вли ние мультипликативных составл ющих погрешности преобразовани . Аддитивна  составл юща  погрещности преобразовани  магнитомодул ционного токосъемника 1 устран етс  с помощью дополнительной модул ции, осуществл емой с помощью цепи, состо щей из блоков 20, 32, 33 и 34. При этом используетс  симметри  кривой намагничивани  магнитопровода магнитомодул ционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной полуволн после управл емого ключа 30 (одинаковое уменьшение или одинаковое увеличение) при изменении магнитных свойств при колебани х температуры , так что разность их остаетс  посто нной . Таким образом, предлагаемое устройство имеет повыщенную чувствительность и точность преобразовани  по сравнению с прототипом , так как потерь информации в нем на управл емом ключе 30 из-за разности фаз входного и коммутирующих напр жений не происходит. В макете устройства, реализованного в лабораторных услови х, увеличение уровн  входного сигнала после второго интегратора 31 при установке нулевого сдвига фаз входного и коммутирующего высокочастотного напр жений на управл емом ключе 30 с помощью настройки формировател  36 управл ющего напр жени  (одновибратора ) составило около 18% по сравнению с прототипом. При этом увеличение уровн  выходного сигнала второго интегратора 31 при изменении режимов работы магнитомодул ционного токосъемника 1 оставалось посто нным.

Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позвол ет повысить точность и достоверность определени  запасов прочности у разрабатываемых газотурбинных двигателей, вращающихс  печей, ультрацентрифуг и т. п. при проведении их экспериментальных исследований и доводке. Использование устройства в различных отрасл х промышленности, где требуетс  осуществл ть непрерывный контроль температуры вращающихс  объектов, позволит оптимизировать производственные процессы и получить значительное количество дополнительной продукции без капитальных вложений .

Использование предлагаемого устройства дл  термометрировани  турбин разрабатываемых газотурбинных двигателей позволит получить экономический эффект до 25-40 тыс. руб. в год.

Claims (4)

1. Формула изобретени 

   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 содержащее в каждом канале измерени  термопару , расположенную на вращающемс  объекте, магнитомодул ционный токосъемник , включающий магнитопровод и Р1ецодвижно расположенные измерительную , модул ционную обмотки и обмотку обратной св зи, а также вращающуюс  обмотку , подключенную через соответствующую вращающуюс  обмотку индуктивного токосъемника и термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модул ционной

   обмотке, согласующий блок, подключенный к модул ционной обмотке, режекторный фильтр, подключенный к выходу согласующего блока, последовательно соединенные фильтр верхних частот, первый полосовой

   фильтр, демодул тор и первый интегратор, последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фильтр, управл емый ключ, второй интегратор и управл емый усилитель, выход которого через

   регистратор подключен к обмотке обратной св зи, а также последовательно соединенные делитель частоты, третий полосовой фильтр и преобразователь напр жение-ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, причем входы фильтров верхних

   и низких частот подключены к выходу режекторного фильтра, выход первого интегратора подключен к управл ющему входу управл емого усилител , а выход делител  частоты соединен с одним из управл ющих входов управл емого ключа, отличающеес  тем, что, с целью повыщени  чувствительности и точности преобразовани  путем уменьщени  сдвига фаз между входным и коммутирующим управл емый ключ напр жени ми , в каждый канал преобразовани 

   дополнительно введены последовательно включенные четвертый полосовой фильтр и формирователь управл ющего напр жени , при этом вход делител  частоты подк тючен к выходу генератора переменного тока, вход четвертого полосового фильтра

   подключен к измерительной обмотке, а выход формировател  управл ющего напр жени  подключен к второму управл ющему входу управл емого ключа.

   Источники информации,

   прин тые во внимание при экспертизе 1. Сумбурский А. И., Новик В. К. Бесконтактные измерени  параметров вращающихс  объектов, М., «Машиностроение, (976, с. 13--17.
2. 2. Богаенко И. Н. Контроль температуры электрических машин. Киев, «Техника, 1975, с. 94-130, 149-162.
3. 3.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2763524/18-10, кл. G 01 К 13/08,

   28.11.79.
4. 4.Авторское свидетельство СССР по за вке № 2992229/18-10, кл. G 01 К 13/08, 08.10.80 (прототип).