Быстродействующее устройство измерения температуры газового потока
Владельцы патента RU 2604573:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный нефтяной технический университет" (RU)
Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике и построения систем автоматического регулирования температуры. Быстродействующее устройство измерения температуры газового потока состоит из двух каналов измерения для реализации дифференциальной схемы и блока обработки информации. Каждый канал измерения содержит струйный генератор, пьезоэлектрический преобразователь для преобразования акустического сигнала в электрический, электронно-перестраиваемый фильтр, компаратор фаз, ключ, генератор пилообразного напряжения, одновибратор, преобразователь напряжение-код. Блок обработки информации содержит вычитатель кодов, один элемент «ИЛИ», три схемы «И», первый и второй инвертор, два делителя кодов. В устройстве реализуется принцип фазовой автоподстройки первой гармоники частоты полигармонического сигнала с применением электронно-перестраиваемого фильтра, управляемого генератором пилообразного напряжения, и цифровой обработки измерительной информации, реализующей дифференциальный способ измерения. Технический результат - повышение быстродействия и точности, а также упрощение схемы устройства для измерения температуры газового потока, с сохранением работоспособности при выходе из строя одного из каналов измерения. 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к термометрии и может быть использовано для измерения быстропротекающих высокотемпературных процессов в газодинамике и построения систем автоматического регулирования температуры.
Известно устройство для измерения температуры газового потока (А.с. 909590 СССР, МКИ G01K 13/02. Опубл. 28.02.1982. Бюл. №8), содержащее два струйных генератора, выходы которых через преобразователи акустического сигнала в электрический сигнал соединены с входами схемы выделения разностной частоты, выход которой соединен с измерительным блоком, два делителя частоты, схему вычитания частот, входы которой соответственно через делители частоты соединены с входами схемы выделения разностной частоты, а выход соединен с входом измерительного блока.
Недостатками аналога являются низкая точность измерения температуры и неполное использование широкого диапазона работы струйного генератора. Это обусловлено тем, что гармоники основной частоты полигармонического сигнала струйного генератора попадают в рабочий диапазон устройства, причем некоторые из них значительно усиливаются пьезоэлектрическим преобразователем из-за совпадения его собственной частоты резонанса с частотой гармоники.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для измерения температуры газового потока (А.с. 1093911 СССР, МКИ G01K 13/02. Опубл. 23.05.1984. Бюл. №19), содержащее два блока фильтров, при этом выходы каждого преобразователя акустического сигнала в электрический подключены к входу схемы выделения разностной частоты через соответствующий блок фильтров, каждый из которых содержит группу полосовых фильтров, выходы которых подключены соответственно к входам ключей и входам формирователей, выходы которых, за исключением последнего формирователя, подключены через инверторы соответственно к первым входам схем совпадения, выходы которых соединены соответственно с управляющими входами ключей со второго по последний, причем управляющий вход первого ключа соединен с выходом первого формирователя, выход второго формирователя соединен с вторым входом первой схемы совпадения, а каждый второй, с второго по k-й, вход k-й схемы совпадения, начиная с второй, подключен соответственно к выходам инверторов с первого по k-й, при этом выход последнего формирователя соединен с дополнительным входом последней схемы совпадения.
Основными существенными недостатками прототипа являются сложная система выделения информативного параметра из полигармонического выходного сигнала с использованием множества полосовых фильтров, недостаточные быстродействие, точность и надежность.
Задачей заявляемого изобретения является повышение быстродействия и точности, а также упрощение схемы устройства для измерения температуры газового потока, с сохранением работоспособности при выходе из строя одного из каналов измерения.
Поставленная задача решается использованием быстродействующего устройства измерения температуры газового потока, состоящего из двух каналов измерения и блока обработки информации, при этом каждый из двух каналов измерения содержит струйный генератор, пьезоэлектрический преобразователь, электронно-перестраиваемый фильтр, соединенный с первым входом компаратора фаз, осуществляющий фазовую подстройку частоты фильтра до равенства фаз с первой гармоники полигармонического сигнала, поступающего непосредственно с выхода пьезоэлектрического преобразователя на второй вход компаратора, выход которого через ключ соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения, второй вход которого соединен с одновибратором, а выход соединен с управляющим входом электронно-перестраиваемого фильтра, при этом выход генератора пилообразного напряжения первого канала измерения соединен со вторым входом первой схемы «И», первым инвертором блока обработки информации и с преобразователем напряжение-код; выход генератора пилообразного напряжения второго канала измерения соединен с первым входом первой схемы «И», вторым инвертором блока обработки информации и с преобразователем напряжение-код; при этом выход преобразователя напряжение-код первого канала измерения соединен с первым делителем кода блока обработки информации и с первым входом вычитателя кодов, а выход преобразователя напряжение-код второго канала измерения соединен со вторым делителем кода и со вторым входом вычитателя кодов; разница кодов, реализующая дифференциальную схему измерения температуры, через третий вход первой схемы «И» и элемент «ИЛИ» поступает на выход.
При выходе из строя первого канала измерения в блоке обработки информации устанавливается соединение преобразователя напряжение-код второго канала измерения через второй делитель кодов, второй вход второй схемы «И», первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения первого канала измерения через первый инвертор, и элемент «ИЛИ» на выход.
В случае выхода из строя второго канала измерения в блоке обработки информации устанавливается соединение преобразователя напряжение-код первого канала измерения через первый делитель кодов, второй вход третьей схемы «И», первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения второго канала измерения через второй инвертор, и элемент «ИЛИ» на выход.
Технический результат достигается использованием электронно-перестраиваемого фильтра, управляемого генератором пилообразного напряжения для фазовой автоподстройки первой гармоники частоты полигармонического сигнала с выхода пьезоэлектрического преобразователя, и цифровой обработкой измерительной информации.
Кроме того, сущность технического решения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - принципиальная схема электронно-перестраиваемого фильтра;
- на фиг. 2 представлена блок-схема быстродействующего устройства измерения температуры газового потока.
Сущность: в устройстве реализуется принцип фазовой автоподстройки первой гармоники частоты полигармонического сигнала с применением электронно-перестраиваемого фильтра, управляемого генератором пилообразного напряжения, и цифровой обработки измерительной информации, реализующей дифференциальный способ измерения.
Применение фазовой автоподстройки частоты для электронно-перестраиваемого фильтра (ЭПФ) повышает точность, т.к. отсутствует методическая погрешность в момент измерения частоты (см. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. - М.: Высшая школа, 1989. С. 195), и быстродействие, т.к. роль перестраиваемых емкостей в ЭПФ выполняют варикапы, практически безынерционные элементы до субмиллиметрового диапазона (см. Берман Л.С. Введение в физику варикапов. - Л.: Наука, 1968. С. 38), а измерение номинальной частоты без промежуточных преобразований значительно упрощает схему, что повышает надежность устройства.
Для расширения диапазона частоты перестройки ЭПФ применяется цепная трехполюсная структура (ЦТС), состоящая из n/2 RC-звеньев, где роль емкостей C выполняют варикапы (Фиг. 1).
Известные традиционные методы исследования не позволили получить аналитические выражения, связывающие диапазон измерения и частоту настройки (квазирезонанса) ω0 с числом n/2 RC-звеньев ЭПФ, тем более состоящих из нелинейных элементов (варикапов) и тем самым решить актуальную проблему.
Использование метода функций преобразования (ФП) позволило устранить этот пробел (см. Гулин А.И. Диагностика измерительных преобразователей и устройств связи с неоднородной цепной структурой // Контроль. Диагностика. 2010. №11. С. 69-72). Оказалось, что вычисление частот квазирезонансов при произвольном количестве звеньев n/2, где n число плеч структуры, сводится к определению коэффициента kn (см. Гулин А.И. Проектирование многозвенных RC-генераторов // Изв. вузов Приборостроение. - 2012. - Т. 56. - №3. - С. 14-18) из выражения
В результате аналитического анализа впервые получена формула определения коэффициента kn однородных ЦТС с произвольным количеством RC-звеньев
где p=0,25n-1.
Из всех вещественных положительных корней уравнения (2) необходимо использовать наименьший (для шестиплечей ЦТС оно равно 
), так как использование других значений, удовлетворяющих условию (2), приведет к сдвигу фаз на 2π радиан и более. В таблице для примера приведены значения коэффициентов kn для числа плеч ЦТС n от 6 до 40.
Для расчета сложных ЦТС можно воспользоваться программой (см. Гулин А.И., Сухинец Ж.А., Мударисов Д.Ф., Хаников И.Р. Расчет частоты квазирезонанса и коэффициента передачи многозвенных RC-структур // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2003611147 / 16.05.2003. Роспатент. Москва. 2003).
Рассмотрим рекомендации построения ЭПФ. Емкость варикапа определяется из выражения
,
где CB, UB - емкость и напряжение смещения варикапа, соответствующие верхней частоте перестройки;
Uупр - напряжение управления смещением варикапов;
φk - контактная разность потенциалов p-n перехода, лежащая в пределах 0,4÷0,7 В;
b - коэффициент, зависящий от распределения примесей в переходе, равный 0,5 для варикапов с резким p-n переходом.
Следовательно, выражение (1) при использовании варикапов примет вид
Зная диапазон изменения первой гармоники выходной частоты струйного генератора 
, равный
,
где Cmax - максимальная емкость варикапа, соответствующая нижней частоте перестройки фильтра, получим выражение для определения коэффициента kn
.
Из таблицы находим соответствующее значение коэффициента kn, по которому определяем число звеньев (варикапов) ЭПФ. В случае несовпадения вычисленного коэффициента с табличным значением выбираем ближайшее меньшее значение kn.
Если поддерживать значение напряжения управления (смещения) на емкости в 4÷5 раз больше амплитуды высокочастотных колебаний, то можно считать, что емкость в основном будет определяться лишь значениями напряжения смещения. А поскольку обратное сопротивление перехода более 1 МОм, то практически напряжение смещения на всех варикапах одинаково в виду ничтожно малого токораспределения по вертикальным плечам - проводимостям. Высокоомное сопротивление RД необходимо для предотвращения шунтирования входного сигнала источником управляющего напряжения.
Быстродействующее устройство измерения температуры газового потока (Фиг. 2) состоит из двух каналов 1 и 2 измерения для реализации дифференциальной схемы и блока 3 обработки информации (БОИ). Дифференциальное включение повышает быстродействие устройства в два с лишним раза из-за сокращения переходного процесса установления измеряемой разницы частот (Гулин А.И. Быстродействующий измеритель температуры газов в газотурбинном двигателе // Авиакосмическое приборостроение. - 2012. - №9 - С. 10-14).
Каждый канал измерения 1 (2) содержит струйный генератор (СГ) 4 (5), пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) 6 (7) для преобразования акустического сигнала в электрический, электронно-перестраиваемый фильтр (ЭПФ) 8 (9), компаратор фаз (КФ) 10 (11), ключ 12 (13), генератор пилообразного напряжения (ГПН) 14 (15), одновибратор (ОВ) 16 (17), преобразователь напряжение-код (ПНК) 18 (19).
Блок обработки информации содержит вычитатель кодов (ВК) 20, один элемент «ИЛИ» 22, три схемы «И» 21, 23 и 25, первый инвертор 24 и второй 26, два делителя кодов (ДК) 27 и 28.
Устройство работает следующим образом. При помещении двух СГ 4 и 5, расположенных в одном корпусе в газовый поток, абсолютную температуру Θ которого измеряют, в них возбуждаются акустические колебания с частотами 
и 
, преобразуемые с помощью ПЭП 6 и 7 в соответствующие электрические колебания, которые в свою очередь поступают через первые входы ЭПФ 8 и 9 на первые входы КФ 10 и 11, на вторые входы которых частоты 
и 
поступают непосредственно с выходов ПЭП 6 и 7. Выходы КФ через ключи 12 и 13 и первые входы ГПН 14 и 15, запускаемых ОВ 16 и 17 через вторые входы, управляют временем разверток линейно изменяющихся напряжений, поступающих на соответствующие вторые управляющие входы ЭПФ 8 и 9. ЭПФ под воздействием ГПН перестраивают ЭПФ на первые гармоники, начиная с частот 
и 
, до совпадения фаз на соответствующих компараторах, реализуя принцип фазовой автоподстройки частоты. При этом компараторы через соответствующие ключи фиксируют напряжения U1 и U2 с выходов ГПН 14 и 15, поступающие на ПНК 18 и 19, которые формируют коды N1 и N2, пропорциональные измеряемой температуре газового потока θ.
В блоке обработки информации с выхода ВК 20, реализующем дифференциальный принцип измерения, разница кодов ΔN=N1-N2, также пропорциональная температуре газового потока, через третий вход схемы «И» 21, на два других которой поступают разрешающие напряжения с выходов ГПН 14 и 15, и элемент «ИЛИ» 22 поступает на выход.
При выходе из строя одного из каналов измерения, например первого, схема «И» 21 запирается нулевым потенциалом с выхода ГПН 14, открывая через инвертор 24 схему «И» 23, а код N2 после деления в k2 раз ДК 28 через второй вход схемы «И» 23 и элемент «ИЛИ» 22 поступает на выход в виде ΔN.
Аналогичным образом работает схема при выходе из строя второго канала измерения.
Коэффициенты деления k1 и k2 делителей кодов 27 и 28 выбирают таким образом, чтобы коды на их выходах были равны разности кодов ΔN, т.е.
.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить быстродействие и точность, а также упростить схему устройства измерения температуры газового потока, что обеспечивает его высокую надежность.
Быстродействующее устройство измерения температуры газового потока, состоящее из двух каналов измерения и блока обработки информации, при этом каждый из двух каналов измерения содержит струйный генератор, пьезоэлектрический преобразователь, электронно-перестраиваемый фильтр, соединенный с первым входом компаратора фаз, осуществляющий фазовую подстройку частоты фильтра до равенства фаз с первой гармоники полигармонического сигнала, поступающего непосредственно с выхода пьезоэлектрического преобразователя на второй вход компаратора, выход которого через ключ соединен с первым управляющим входом генератора пилообразного напряжения, второй вход которого соединен с одновибратором, а выход соединен с управляющим входом электронно-перестраиваемого фильтра, при этом выход генератора пилообразного напряжения первого канала измерения соединен со вторым входом первой схемы «И», первым инвертором блока обработки информации и с преобразователем напряжение-код; выход генератора пилообразного напряжения второго канала измерения соединен с первым входом первой схемы «И», вторым инвертором блока обработки информации и с преобразователем напряжение-код; при этом выход преобразователя напряжение-код первого канала измерения соединен с первым делителем кода блока обработки информации и с первым входом вычитателя кодов, а выход преобразователя напряжение-код второго канала измерения соединен со вторым делителем кода и со вторым входом вычитателя кодов; разница кодов, реализующая дифференциальную схему измерения температуры, через третий вход первой схемы «И» и элемент «ИЛИ» поступает на выход; при этом, в случае выхода из строя второго канала измерения, в блоке обработки информации устанавливается соединение преобразователя напряжение-код первого канала измерения через первый делитель кодов, второй вход третьей схемы «И», первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения второго канала измерения через второй инвертор, и элемент «ИЛИ» на выход; при выходе из строя первого канала измерения в блоке обработки информации устанавливается соединение преобразователя напряжение-код второго канала измерения через второй делитель кодов, второй вход второй схемы «И», первый вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения первого канала измерения через первый инвертор, и элемент «ИЛИ» на выход.
