Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советскими

Социалистическим

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (6t) Дополнительное к авт. свид-ву Р 92452 (22) Заявлено 02 ° 04.81 (21) 3269621/18-10 (5$) М. КП.з

G 01 К 13/08 с присоединением заявки ¹(23) ПриоритетГосударственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 0702.83. Бюллетень № 5 (53) УДК 536. 532 (088. 8)

Дата опубликования описания 07Р283

Р

В.Г.Гусев, H.II.Иванов, В.B.Мауейин и -6:-B.Ефрей

° л

».-,:. °,, l.<: :.;

"C

Ф (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ ВРЫЦАККЦЕГОСЯ ОБЪЕКТА

Изобретение относится к температурным измерениям и предназначено для многоканального измерения температуры вращающегося объекта с помощью термопар.

По основному авт.св. Р 924522 известно многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, в котором для уменьшения аддитивных составляющих Погрев ности преобразования магнитомодуляционных токосъемников производится еще и дополнительная модуляция преобразуемого сигнала низкочастотным синусоидальным током. Устройство включает индуктивный токосъемник-с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и .содержит в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке магнитомодуляциойного токосъемника, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника, режекторный фильтр, настроенный на - частоту генератора переменного тока и подключенный к выходу согласующего блока, последовательно включенные фильтр верхних частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, первый полосовой фильтр, настроенный ца частоту генератора подстройки, демодулятор и интегратор, последователь.но включенные фильтр низких частот, подключенный ко второму выходу режекторного фильтра, второй полосовой фильтр, настроенный на удвоенную частоту генератора переменного тока, управляемый ключ, второй интегратор .и управляеь ый. усилитель, выход которого через регистратор подключен к обмотке обратной связи магнитомодуляционного токосъемника, а также последовательно соединенные умножитель, частоты, подключенный к выходу генератора переменного тока, делитель частоты, третий полосовой фильтр, и преобразователь напряжение-ток, нагруженный:.

994935 на неподвижную измерительную обмотку магнитомодуляционного токосъемника, при этом выход первого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя а управляющие вхо)I ды управляемого к юча подключены к выходам умножителя и делителя частоты соответственно (1 3.

Температура холодных спаев вращающихся термопар контролируется с помощью терморезистора, расположенного на холодном спае одной из термопар, второго индуктивного токосъемника, вращающаяся обмотка которого подключена к терморезистору, и блока измерения температуры холодного .спая,под- ключенного к неподвижной обмотке второго индуктивного токосъемника.

Недостатками известного устройства являются низкие точность и чувствительность.

Это объясняется тем, что коммутирующий управляеьый ключ напряжения с выходов умножителя и делителя частоты не совпадает по фазе с промодулиро ванным напряжением второй гармоники генератора переменного тока на входе управляемого ключа. Указанный сдвиг фазы возникает из-за того,.что цепи преобразования сигнала второй гармоники генератора переменного тока (согласующий блок, режекторный фильтр 0 фильтр низких частот и второй полосовой фильтр) и коммутирующий управляемый ключ осуществляют фазочувствительное детектирование, то часть информа-, ции при наличии сдвига фаз между выходным и высокочастотным коммутирующим напряжением теряется. Если указанный сдвиг фазы равен 90 то информация будет полностью потеряна, Цель изобретения — повышение точ- 40 ности и чувствительности многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта в каждый канал дополнительно введены последовательно соединенные четвертый полосовой фильтр, настроенный на частоту генератора пере- 0 менного тока, и фаэосдвигающее устройство:, причем вход четвертого полосового фильтра. подключен к выходу генератора переменного тока, а выход фаэосдвигающего устройства подключен к входу умножителя частоты.

Введение четвертого полосового фильтра и фазосдвигающего устройства и их включение между генератором переменного тока и умножителем частоты 60 позволяе"т сдвинуть в нужную сторону фазы высокочастотного и низкочастотного напряжений с выходов умножителя и делителя частоты, коммутирующих управляемый ключ. При этом соответствующей подстройкой фазосдвигакицего устройства можно выставить нулевой фазовый сдвиг между напряжением второй гармоники генератора переменного тока на входе управляемого ключа и коммутирующего напряжения с выхода умножителя- частоты. Это позволяет избежать потери информации на управляемом ключе и соответственно повысить точность преобразования и чувствительность устройства.

На чертеже приведена блок-схема многоканального устройства для измерения температуры вращающегося объекта (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования).

Устройство содержит магнитомодуляционные токосъемники 1, число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный TQKocъемник 2 для передачи сигнала подстройки, индуктивный ! токосъемник 3 для контроля температуры холодного спая термопары и вторичную аппаратуру.

Каждый магнитомодуляционный токосъемник 1 состоит из магнитопровода

4, вращающейся обмотки 5 и неподвижных измерительной 6, модуляционной 7 обмоток и обмотки обратной связи 8.

Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 9, неподвижную обмбтку 10.и ряд вращающихся 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 вращающуюся обмотку 14.

Все токосъемники конструктивно могут выполн-,.ться на одном валу в виде единого блока, стыкуемого с валом вращающегося объекта или охватывающего вращающийся объект, или в виде отдельных блоков, валы которых механически соединяются между собой и с вращающимся объектом муфтами.

На вращающемся объекте расположены термопары 15 число которых равно числу каналов измерения, термореэистор 16 и дополнительные резисторы 17. Резисторы 17 обеспечивают требуемый режим работы термопар 15, например режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихся обмоток 5 и 11 токосъемников 1 и 2, соответственно, и соединенных проводов мало.

Терморезистор 1У располагается непосредственно на холодном спае одной иэ термопар 15 и его сопротивление однозначно соответствует температуре спая. Терморезистор 16 может выполняться в виде проволоки из меди или, тлатины, намотанной непосредственно на холодный спай термопары 15.

994935

При небольших температурах холодного спая термопары 15 возможно использо« вание полупроводниковых термореэисто-, ров. Холодные спаи термопар 15 целесообразно располагать в непосредственной близости друг от друга, чтобы они имели возможно более близкие значения температур. Терморезистор 16 подключен к вращающейся обмотке 14 индуктивного токосъемника 3.

Термопары 15 включены последовательно с вращающимися обмотками 11 индуктивного токосъемника 2 и резисторами 17 соответственно и соединены с вращающимися обмотками 5 соответствующих магнитомодуляпионных токосъем- l5 ников 1.

Неподвижная обмотка 13 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку измерения температуры холодного спая. термопары 18. 20

Неподвижная обмотка 10 индуктивного токосъемника 2 подключена к выходу генератора сигнала подстройки

19, который представляет собой генератор переменного напряжения стабиль- 25 ной частоты (2-3 кГц) и стабильной

l .амплитуды, значение которой не влияет существенно на магнитное состоя. ние магнитопроводов магнитомодуляционных токосъемников 1 (единицы — десятки милливольт), Аппаратура обработки измерительного сигнала модуляционных токосъемников 1, одинаковая для каждого ка-нала измерения (на.чертеже показана 35 аппаратура только одного канала), включает в себя генератор переменного тока модуляции 20 стабильной частоты и амплитуды тока, согласующий блок

21, режекторный фильтр 22, настроенный на частоту тока модуляции, фильтр верхних частот 23, полоса пропускания которого начинается с частоты, в несколько раз (3-4 раза) превышающей . частоту тока модуляции генератора 20, 45 первый полосовой фильтр 24, настроенный на частоту сигнала подстройки, демодулятор 25, выделяющий. огибающую сигнала подстройки, первый интегратор

26, выход которого соединен с управляющим входом управляемого усилителя 27, фильтр низких частот 28, настроенный таким образом, что он не пропускает гармоники с частотой, превышающей удвоенную частоту тока модуляции генератора 20 приблизитель- 55 но в 2,2-2,5 раза, второй полосовой фильтр 29, настроенный на удвоенную частоту тока модуляции генератора 20, управляемый ключ 30, второй интегратор 31, умножитель (удвоитель) частоты 32, выход которого подключен к одному из управляющих входов ключа

30, делитель частоты 33, выход которого подключен ко второму управляющему входу ключа 30 и входу третьего 65 полосового -фильтра 34, выделяющему основную. гармонику, получающуюся после деления делителем частоты 33, преобразователь напряжение-ток 35, выход которого подключен к неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодуляционного токосъемника 1, регистратор

36, например стрелочный или цифровой прибор, через который вход управляемого усилителя 27 подключен к обмотке обратной связи 8 магнитомодуляционного токосъемника 1, четвертый полосовой фильтр 37, подключенный к выходу генератора тока модуляции 20 и выделяющий первую гармонику тока модуляции, и фазосдвигающее устройство 38, вход которого подключен к выходу четвертого полосового фильтра 37, а выход подключен ко входу умножителя частоты 32.

B случае, если выходной сигнал магнитомодуляционного токосъемника 1 снимается не по второй гармонике тока модуляции генератора rlepeMeHHoro тока 20, а по другой, например четвертой, то умножитель частоты 32 должен производить умножение частоты входного сигнала в 4 раза, а фильтры

28 и 29 должны быть перестроенй соответствующим образом.

Устройство работает следующим образом (рассматривается работа одного канала).

Генератор переменного тока 20 создает в обмотке модуляции 7 магнитомодуляционного токосъемника 1 ток, амплитуда которого достаточна для введения магнитопровода токосъемника в насыщение.

При отсутствии разницы температур между рабочим и холодными спаями вращающейся термопары 15 развиваемая ею

ЭДС равна нулю, постоянный ток во вращающихся цепях не протекает. Сигнал подстройки генератора 19 передается с помощью индуктивного токосъемника 2 во вращающуюся цепь термопары

15 (термопара 15, вращающиеся обмотки S и 11 и резистор 17). При этом в неподвижной измерительной обмотке б магнитомодуля ионного токосъемника

1 наводится ЭДС, состоящая из сигнала подстройки генератора 19 и четных и нечетных гармоник тока модуляции генератора 20. Кроме того, через обмотку б гонится синусоидальный ток низ-, кой частоты (5-10 Гц), формируемый с помощью цепи, образованной блоками

37, 38, 32, 33, 34 и 35. Поэтому результирующий сигнал на измерительной обмотке 6 представляет собой.суммарный сигнал ЭДС подстройки и гармоник частоты тока-модуляции генератора 20, промодулированный по амплитуде низкочастотным синусоидальным напряжением.

994935 8.Указанный сигнал проходит через согласующий блок 21 и поступает на вход режекторного фильтра 22, подавляющего первую гармонику тока модуляции генератора 20. Напряжение с его выхода поступает на входы фильтра верхних частот 23 и фильтра низких частот 28.

Фильтр верхних частот 23, первый полосовой фильтр 24, демодулятор 25 и интегратор 26 выделяют модулированный по амплитуде сигнал частоты подстройки, выделяют и сглаживают его огибающую, которая затем подается на управляющий вход управляемого усилителя

27 ° При этом значение величины коэффициента усиления усилителя .27 определяется средним значением амплитуды огибающей сигнала подстройки.

Одновременно фильтр низких частот

28 и второй полосовой фильтр 29 выделяют вторую гармонику тока модуляции генератора 20, промоцулированную низкочастотным синусоидальным напряжением с частотой тока преобразователя напряжение-ток 35, которая поступает на вход управляемого ключа 30.

На управляющие входы ключа 30 подаются низкочастотное прямоугольное напряжение от делителя частоты 33 и прямоугольное напряжение удвоенной частоты модуляции от умножителя частоты 32, поэтому напряжения работают как инвертирующий детектор. Форма напряжения на выходе ключа 30 при отсутствии разности температур между спаями термопары 15 и отсутствии остаточной намагниченности материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 представляет собой отрицательные и положительные полуволны низкочастотного напряжения дополнительной модуляции, заполненных полуволнами синусоидального напряжения второй гармоники частоты тока модуляции генератора 20. Причем п от1рицательной и положительной полуволн должны быть при этих условиях одинаковы, поэтому на выходе второго интегратора 31 будет нулевой сигнал.

Соответственно, через регистратор 36 ток по обмотке обратной связи 8 магнитомодуляционного токосъемника 1 протекать не будет.

В случае, если остаточная намагниченность материала магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1 отлична от нуля, то остаточный магнитный поток будет вычитаться иэ него в другом полупериоде. Очевидно, что это приводит к появлению разности площадей положительной и отрицательнсй полуволн низкочастотного напряжения после управляемого ключа

30. Пропорциональное разности этих площадей напряжение с выхода второго интегратора 31 усиливается усилителем 27 и ток, протекающий через регистратор 36 по обмотке обратной свя - зи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсирует этот ложный сигнал.

Поэтому после подогрева аппаратуры перед началом измерений долженвыставляться ноль у регистратора 36.

При появлении разности температур между спаями термопары 15 во вращающейся цепи протекает постоянны ток, ". пропорциональный этой разности. B соответствии с принципом работы магнитомодуляционного токосъемника 1 это вызывает изменение уровня второй гармоники тока модуляции генератора 20

15 в спектре его выходного сигнала на неподвижной измерительной обмотке 6.

Изменение амплитуды второй гармоники приводит к соответствующему изменению глубины модуляции ее низкочастотным

20 током преобразователя напряжение-ток

35. Соответственно, при этом изменяется и соотношение площадей отрицательной и положительной полуволн низкочастотного напряжения на выходе управляемого ключа 30. Тогда на выходе второго интегратора 31, появляется постоянное напряжение, значение которого пропорционально разности площадей полуволн на входе ключа 30 (или разности температур между спаями термопары 15), а знак зависит от направления постоянного тока термопары 15 во вращающейся обмотке 5.

Это напряжение преобразуется управляемым усилителем 27 в ток, который через регистратор 36 заводится в обмотку обратной связи 8 магнитомодуля.— ционного токосъемника 1, компенсируя магнитный поток, развиваемый током термопары 15 во вращающейся обмотке 5, Зна .ение постоянного тока, протекающего через регистратор 36, в обмотке обратной связи 8 однозначно соответствует разности температур между

45 спаями термопары 15.

Окончательное определение температуры вращающегося объекта в месте закладки термопары 15 производится с учетом значения температуры холодно50:го спая, определяемого с помощью терморезистора 16, индуктивного токосъемника 3 и блока измерения 18.

Блок измерения 18 температуры холодного спая термопары 15 может быть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивления или с емкостными токосъемниками. установка начального нулевого сдвига фазы между напряжением второй

60 гармоники на входе управляемого ключа 30 и коммутирующего напряжения с выхода умножителя частоты 32 производится с помощью фазосдвигающего устройства 28. Сдвиг фазы низкочастотного прямоугольного коммутирующе9949 35 го,напряжения с выхода делителя частоты 33 относительно напряжения второй гармоники частоты тока модуляции генератора 20 в данной структуре мал (фазовый сдвиг, вносимый только одним делителем частоты 33) и не оказы-. вает практически никакого влияния на работу системы.

Измерения коэффициентов преобразования индуктивного токосъемника 2 или магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменении температуры .окружающей среды, приводящих к изменению активных сопротивлений обмоток, изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров и т.п., 15 компенсируются с помощью цепи преобразования тестового сигнала, включающего блоки 21-27. При этом изменения уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 26 с 20 обратным знаком подстройки на выходе первого интегратора 26 с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемого усилителя 27, изменяя его коэффициент усиления таким обра- 25 зом, чтобы коэффициент передачи тракта, включающего магнитомодуляционный токосъемник 1, линию связи, согласующий блок 21, режекторный фильтр 22, фильтр низких частот 28, второй полосовой фильтр 29, управляемый ключ

30, второй интегратор 31 и управляемый усилитель 27, оставался постоянным. Тем самым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрешности преобразования.

Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуляцибнного токосъемника 1 устраняется с помощью дополнительной модуляции, осуществляемой с помощью цепи,.состоящей из блоков 37, 38, 32, 33,.34. и 35. При этом используется симмет- рия кривой намагничивания магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной иположительной полуволн после управляемого ключа 30 (одинаковое уменьшение или одинаковое увеличение) при 50 изменении магнитных свойств и при колебаниях температуры, так что разность их остается постоянной.

Таким образом,-предложенное устройство по сравнению с известным име- 55 ет повышенную чувствительность и точность преобразования благодаря исклю-,. .чению потерь информации на управляе-. мом ключе 30 из-за сдвига фаз между

1 напряжением второй гармоники. тока модуляции генератора 20 и коммутирующим напряжением с выхода умножителя частоты 32. увеличение уровня выходного сигнала после второго интегратора 31 при установке нулевого сдвига фазы на ключе 30 (на макете устройства, реализованного в лабораторных условиях) составляло от 8 до 22% в зависимости от режима работы магнитомодуля ционного токосъемника 1.

Повышение же чувствительности одновременно позволяет увеличить точность преобразования системы в целом.

Предлагаемое устройство позволяет повысить точность и достоверность определения запасов прочности у разрабатываемых газотурбинных двигателей, вращающихся печей, ультрацентрифуг и т.д., при проведении их экспериментальных исследований и доводке. Использование предлагаемого устройства в различных отраслях промышленности, где требуется осуществлять непрерывный контроль температуры вращающихся объектов, позволит оптимизировать производственные процессы и получить значительное количество дополнительной продукции без капитальных-вложений.

Использование одного экземпляра предлагаемого устройства для термометрйрования турбин разрабатываемых газотурбинных двигателей позволит получить ио экспертной оценке экономическую эффективность по 22-35 тыс.руб в год.

Формула изобретения

Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта по авт.св. Р 924522, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности и точности преобразования, в каждый канал дополнительно введены последовательно соединенные четвертый полосовой фильтр и фазосдвигающее устройство, причем вход четвертого полосового фильтра подключен к выходу генератора переменного тока, а выход фазосдвигающегб устройства подключен к входу умножителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 924522, кл. G 01 К 13/08, 08.10.80 (прототип), 994935

Составитель Н.Горшкова

Редактор В.Лазаренко Техред N.Коштура Корректор С.Шекмар

Заказ 628/26 Тираж 871 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Иосква, Я-35, Раушсхая наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород, ул.Проектная, 4