Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта

 

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТЮЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке иидуктивного токосъемника, и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопролод и неподвижно располо :сенные измерительную, модуляционную, дополнительную модуляционную обмотку и сбмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру , включающую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, последовательно соединенньш режекторный фильтр, фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, первый выпрямитель и первый интегратор, последовательно соединенные второй интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение-ток , нагруженный на дополнительную модуляциэнную обмотку, фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра , последовательно соединенные второй полосовой фильтр и первый управляемый ключ, генератор переменного тока, нагруженный на модуляционную обмотку, а также второй управляемый ключ, причем выход пер вого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а )равляющий вход первого управляемого ключа подключен к выходу делителя частоты, отличающееся тем, что, с целью уменьщения погрешности преобразования и увеличения чувствительности, в каждый канал вторичной (Л аппаратуръ введены коммутатор, третий полосовой; фильтр, последовательно соединенные первая линия задержки, первый сумматор и второй выпрямитель, последовательно соединенные вторая линия задержки, второй сумматор и третий выпрямитель, в также третий сумматор, при этом вход коммутатора ел подключен к выходу фильтра низких частот, входы второго и третьего полосовых фильтров Л подключены к первому и второму входам :л коммутатора, выход третьего полосового фильтра подключен к входу второго управляемого ключа, выходы первого и второго управляемых ключей подключены к входу первой линии задержки и второму входу первого сумматора и к входу второй линии задержки и второму входу второго сумматора соответственно, выходы второго и третьего выпрямителей подключены к входам третьего сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, управляющие входы коммутато

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А

4 у ) G 01 К 13/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3574619/24-10 (22) 01.04.83 (46) 07.05.85. Бюл. Р 17 (72) В. Б. Малещин, В. Г. Гусев и М. П. Иванов (71) Уфимский ордена Ленина авиационный институт им. Орджоникидзе (53) 536.532(088.8) (56) 1. Самбурский А. И., Новик В. К.

Бесконтактные измерения параметров вращающихся объектов. М., "Машиностроение", 1976, с. 13-17.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке

N 3571030/24 — 10, кл. G 01 К 13/08, 01.04.83 (прототип). (54) (57) МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

ЯЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащее в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магннтомодуляционный токосъемник, включающий магнитопрояод и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную, дополнительную модуляционную обмотку и сбмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, включающую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, последовательно соединенные режекториый фильтр, фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, первый выпрямитель и первыи интегратор, последовательно соединенные второй интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение — ток, нагруженный на дополнительную мо. дуляциэнную обмотку, фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, последовательно соединенные второй полосовой фильтр и первый управляемый ключ, генератор переменного тока, нагруженный на модуляционную обмотку, а также второй управляемый ключ, причем выход пер вого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а 11правляющий вход первого управляемого ключа подключен к выходу делителя частоты, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью уменьшения погрешности преобразования и увеличения чувствительности, в каждый канал вторичной аппаратуры введены коммутатор, третий полосовой; фильтр, последовательно соединенные первая линия задержки, первый сумматор и второй выпрямитель, последовательно соединенные вторая линия задержки, второй сумматор и третий выпрямитель, а также третий сумматор, при этом .вход коммутатора подключен к выходу фильтра низких частот, входы второго и третьего полосовых фильтров подключены к первому и второму входам коммутатора, выход третьего полосового фильтра подключен к входу второго управляемого ключа, выходы первого и второго управляемых ключей подключены к входу первой линии задержки и второму входу первого сумматора и к входу второй линии задержки и второму входу второго сумматора соответственно, выходы второго и третьегс выпрямителей подключены к входам третьего сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, управляющие входы коммутато1154557 ра и второго управляемого ключа подключе- жекторного фильтра соединен с выходом согнъ к выходу делителя частоты, а вход ре- ласующего блока, 1

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для контроля температуры роторов крупных гидрогенерато ров, электрических машин, авиадвигателей, а также в тех отраслях промышленности, 5 где необходим контроль температуры вращавшихся частей оборудования при повышенных температурах в месте расположения токосъемного узла.

Известны устройства для бесконтактного 1О контроля температуры вращиощихся объектов с помощью термопар, у которых на вращающемся объекте находится преобразователь напряжение -частота, питающее устройство, излучающая антенна, а на неподвижном— приемное устройство и аппаратура обработки сигнала 111.

Однако такие устройства имеют ограниченный диапазон рабочих температур — до 100—

120оС, определяемый максимальной рабочей температурой микроэлектронных узлов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, содержащее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, нагруженный на неподвижную обмотку индуктивного токосъемника, и несколько одинаковых каналов преобразования температуры, Каждый канал включает магнитомодчляцйонный токосъемник, состоящий из магнитопровода, вращающейся обмотки, подключенной через соответствующую обмотку индуктивного токосъемника к термопаре, расположенной на вращающемся объекте, и неподвижных измерительной, модуляционной, дополнительной модуляционной обмоток и обмотки обратной связи. Вторичная аппаратура каждого канала содержит носледевательно соединенные согласуюший блок, первый управляемый ключ, режекторный фильтр. фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, демодулятор, первый интегратор, последовательно соединенные фильтр нижних частот, второй 1полосовой фильтр, второи управ-а

45 ляемый ключ, второй интегратор, управляемый усилитель, регистратор, последовательно соединенные генератор переменного тока, умножи2 тель частоты, делитель частоты и преобразователь напряжение — ток. К измерительной обмотке магнитомодуляционного токосъемника подключен вход согласующего блока, а к дополнительной модуляционной обмотке — вы ход преобразователя напряжение — ток. Выход первого интегратора подсоединен к управляю- щему входу управляемого усилителя, вход фильтра нижних частот — к выходу режекторного фильтра, генератор переменного тока нагружен на модуляционную обмотку магнитомодуляционного токосъемника. Между первым управляемым ключом и делителем частоты включен одновибратор, а к управляющим входам второго управляемого ключа подсое. динены выходы умножителя и делителя частоты (21 .

Недостатком известного устройства является сравнительно большая погрешность преобразования. Это вызвано тем, что ври смене полярности тока дополнительной модуляции происходит резкое изменение уровня второй информативной гармоники тока основной модуляции. Высокодобротный полосовой фильтр необходимый для выделения малого сигнала второй гармоники, из.эа большой постоянной времени усредляет изменение уровня второй гармоники, вызывая дополнительную погрешность преобразования.

Цель изобретения — уменьшение погрешности преобразования и увеличение чувствительности устройства.

Для достижения поставленной цели в многоканальном устройстве для измерения температуры вращающегося объекта, включающем индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке индуктивного токосъемника, и содержащем в каждом канале измерения термонару, распо. ложенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий магнитопровод и неподвижно расположенные измерительную, модуляционную, дополнительную модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающую ся обмотку индуктивного токосъемника к термо3 1154 паре, и вторичную аппаратуру, включающую t:огггасующий блок, подключенный к измерительной обмотке, последовательно соединенные режекторный фильтр, фильтр верхних частот, первый полосовой фильтр, первый выпрямитель и первый интегратор, последовательно соединенные второй интегратор и управляемый усилитель, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряже- 10 ние — ток, нагруженный на дополнительную модуляционную обмотку, фильтр низких частот, подключенный к выходу режекторного фильтра, последовательно соединенные второй поло. совой фильтр и первый управляемый ключ, генератор переменного тока, нагруженный на модуляционную обмотку, а также второй управляемый ключ, причем выход первого интегратора подключен к управляющему входу управляемого усилителя, а управляющий

20 вход первого. управляемого ключа подключен к выходу делителя частоты, в каждый канал вторичной аппаратуры введены коммутатор, третий полосовой фильтр, последовательно соединенные первая линия задержки, первый сумматор и второй выпрямитель, последовательно соединенные вторая линия задержки, второй сумматор и третий выпрямитель, а так же третий сумматор, при этом вход коммута-. тора подключен к выходу фильтра низких частот, входы второго и третьего полосовых фильтров подключены к первому и второму внходам коммутатора, выход третьего полосо вого фильтра подключен к входу второго управляемого ключа, выходы первого и второго управляемых ключей подключены к входу . 35 первой линии задержки и второму входу первого сумматора и к входу второй линии задержки и второму входу второго сумматора соответственно, выходы второго и третьего выпрямителей подключены к входам третьего 40 сумматора, выход которого подключен к входу второго интегратора, вход делителя частоты подключен к выходу генератора переменного тока, управлянлцие входы коммутатора и втооо го управляемого .ключа подключены к выходу45 делителя частоты, а вход режекторного фильтра соединен с выходом согласующего блока.

На фиг. 1 приведена функциональная схема многоканального устройства для измерения 50 температуры вращающегося объекта (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования); на фиг. 2 и 3 — диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства.

Устройство (фиг. 1) содержит мапштомоду- 55 ляционные токосъемники 1, число когорых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъем557 4 ник 2 для передачи сигнала подстройки, йндуктивный токосъемник 3 для контроля температуры холодного сная термопар и вторичную аппаратуру.

Каждый магнитомодуляционный токосъемник

1 включает магнитопровод 4, вращающуюся об. мотку 5 и ряд неподвижных обмоток — измерительную 6, модуляционную 7, обратной связи 8 и дополнительную модуляционную 9.

Индуктивный токосъемник 2 включает магнитопровод 10, неподвижную обмотку 11 и ряд вращающихся идентичных. обмоток 12, число которых равно числу каналов устройства.

Индуктивный токосъемник 3 включает магнитопровод 13, неподвижную 14 и вращающую ся 15 обмотки.

На вращающемся объекте расположены термопары 16, число которых равно числу каналов измерения, терморезистор 17 и дополнительные резисторы 18. Последние обеспечивают требуемый режим работы термопар 16, напри мер режим заданного тока, в случае, если активное сопротивление вращающихся обмоток

5 и 12 мало. Терморезистор 17 располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 16 и его сопротивление однозначно соответствует температуре сная. Он может быть выполнен в виде проволоки из меди или платины, намотанной на холодный спай термопары 16. Терморезистор 17 поцключается к вращающейся обмотке 15 индуктивного токосьемника 3. Каждая из термопар 16 включена последовательно с соответствующей вращающей. ся обмоткой 12 индуктивного токосъемника 2 и резистором 18 и соединена с вращающейся обмоткой 5 соответствующего магнитомодуляционного токосъемника 1. Неподвижная обмотка 14 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку 19 измерения температуры холодного спая термопары 16.

Аппаратура обработки измерительного сигнала магнитомодуляционных токосъемников 1 одинаковая для каждого канала измерения (на фиг. 1 показана функциональная схема одного канала), содержит генератор 20 переменного тока основной модуляции, делитель

21 частоты, преобразователь напряжение — . ток 22, согласующий блок 23, режекторный фильтр 24, фильтр 25 верхних частот, первый полосовой фильтр 26, первый выпрямитель 27, первый интегратор 28, фильтр 29 низких частот, коммутатор 30, второй 31 и третий

32 полосовые фильтры, первый 33 и второй

34 управляемые ключи, первую 35 и вторую

36 линии задержки, первый 37 и второй 38 сумматоры, второй 39 и третий 40 выпрямители, третий сумматор 41, второй интегратор

42 - управляемык усилитель 43, регистратор 44.

1154557

Кроме того, устройство содержит генератор 45 сигнала подстройки.

Делитель 21 частоты имеет коэффициент деления 10 — 12. Режекторный фильтр 24 настроен на первую гармонику тока основной 5 модуляции генератора 20. Фильтр 25 верхних частот имеет частоту среза, в 3-Ф раза ниже частоты сигнала подстройки. Полосовой фильтр

26 настроен на частоту генератора 45 сигнала подстройки. Фильтр 29 низких частот имеет частоту среза, в 3-4 раза выше частоты тока основной модуляции. Второй 31 и третий

32 полосовые фильтры настроены на частоту второй гармоники тока основной модуляции генератора 20. 15

Генератор 20, делитель 21 и преобразователь

22 соединены последовательно, причем выход генератора 20 подключен к модуляционной

Э обмотке 7, а выход преобразователя 22— к дополнительной модуляционной обмотке 26

9. Согласующий блок 23, филыры 24

26, выпрямитель 27, интегратор 28 соединены последовательно, причем вход блока 23 соединен с измерительной обмоткой 6, а выход интегратора 28 — с управляющим входом 25 усилителя 43. Вход фильтра 29 соединен с выходом филыра 24, а выход — с входом коммутатора 30, К выходам коммутатора 30 подключены две одинаковые цепи последователь-. но соединенных элементов.В первую и вторую ЗО цепь входят фильтры 31 и 32, ключи 33 и . линии 35 и 36 задержки, сумматоры 37 и

38, выпрямители 39 и 40, соответственно, причем выходы ключей 33 и 34 дополнительно соединены с вторыми входами сумматоров 37

35 и 38 соответственно. Сумматор 41, интегратор 42, усилитель 43 соединены последователь но, причем входы сумматора 41 подключены к выходам выпрямителей 39 и 40, а выход усилителя 43 через регистратор 44 Яагружен на обмотку 8 обратной связи. Управляющие входы коммутатора 30 и ключей 33 и 34 соединены с выходом делителя 21. Выход генератора 45 соединен с неподвижной обмот кой 11 токосъемника 2.

Устройство работает следующим образом (при работе одного канала измерения температуры), Генератор 22 тока основной модуляции создает в модуляционной обмотке 7 тскосъем 5Ф ника 1 ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе 4, достаточный по величине для насыщения одного из участков магнитной цепи. В обмотку 9 дополнительной модуляции с выхода преобразователя 22 напряжение — 55 ток синхронно с частотой тока основной модуляции поступает ток прямоугольной формы.

Эти прямоугольники тока имеют оди. наковую амплитуду и ск важность, равную 2, т.е. одинаковую длительность.

Величина магнитного потока, создаваемого пря" моугольным током дополнительной модуляции, должна быть обязательно больше максимальной величины магнитного потока, соэдаваемого термопарой 16, чтобы исключить неоднознач ность показаний. Сигнал подстройки от генератора 45 сигнала подстройки через первый индуктивный токосъемник 2 подается на. вращающийся объект в цепь термопары 16 и проходит через магнитомодуляционный токосъемник 1.

Таким образом, в измерительной обмотке 6 наводится как информативный, так и сигнал подстройки.

Режекторный фильтр 24 подавляет первую гармонику частоты тока основной модуляции, которая является паразитной трансформаторной ЭДС, наведенной потоками ряссеяння тока основной модуляции в измерительной обмотке магнитомодуляционного токосьемпи. ка

Фильтр 25 верхних частот и полосовой фильтр 26 выделяют сигнал подстройки, который после преобразования первым выпрямителем 27 и первым интегратором 28 поступает на управляющий вход управляемого усилителя

43„ изменяя его выходной сигнал таким образом, чтобы при изменении сопротивлений проводов обмоток и магнитной проницаемости материала магнитопровода из-эа изменения температуры не изменялся коэффициент передачи устройства.

Фильтр 29 низких частот отделяет информационный сигнал от сигнала подстройки.

Форма сигнала на выходе фильтра 29 низких частот показана на фиг. 2à. Коммутатор 30 разделяет информативный сигнал на две части и дальнейшее преобразование происходит по двум. каналам. Один канал получает информацию в положительный полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции, другой — в отрицательный. Информационные сигналы филыруются вторым 31 и третьим

32 полосовыми фильтрами(фиг. 26,в), переходные процессы в высокодобротных фильтрах вырезаются первым 33 и вторым 34 управляе мыми ключами соответственно. На один иэ входов первого сумматора 37 поступает информативный сигнал в положительный полупериод тока д4колнительной модуляции, на другой вход — этот же сигнал, задержанный на полупериод тока дополнительной модуляции. Аналогично на один из входов второго сумматора 38 поступает информативный сигнал, в отрицательный полупериод тока — дополнительной модуляции, а на другой — этот же сигнал, задержанный на лолупериод тока

7 1154557 8 дополнительной модуляции. Таким образом, через второй выпрямитель 39 проходят только сигналы положительного полупериода тока дополнительной модуляции, а через третий выпрямитель 40 — только отрицательного 5 полупериода тока дополнительной модуляции.

Второй выпрямитель 39 является неинвертирующим выпрямителем (форма сигнала на выходе второго выпрямителя 39 показа. на на фиг. За), а третий выпрямитель 40— инвертирующим выпрямителем (форма сигнала на выходе третьего выпрямителя 40 показана на фиг.3б).

При отсутствии постоянного сигнала термопары 16 и симметричности кривой намагничивания магнитного материала магнитопрово. да значения второй гармоники тока основной модуляции на измерительной обмотке 6 в каждый полупериод тока дополнительной моду ляции одинаковы. Соответственно значения . 20 сигналов на выходе, второго 39 и третьего 40 выпрямителей одинаковы, но противоположны по знаку, а на выходе второго интегратора

42 — нулевой сигнал.Ток через регистратор 44 и обмотку 8 обратной связи не протекает.. 25

При появлении разницы температур между холодным и рабочим спаями термопар 16 в цепи вращающейся обмотки 5 протекает ток, создающий в магнитопроводе 4 магнитомодуляционного токосъемника 1 постоянный магни-30 тный ноток, который суммируется с магнитным потоком низкочастотного тока дополнительной модуляции в один полупериод и вычи. тается в )другой. Это вызывает соответственно увеличение уровня второй гармоники в один полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции и уменьшение в другой.

На выходе третьего сумматора 41 площади положительного и отрицательного полупериодов сигнала становятся разными. Второй интегратор

42 выделяет постоянную составляющую этого напряжения, пропорциональную ЭДС термопары

16. Управляемый усилитель 43 преобразует напряжение на выходе второго интегратора в ток, который через регистратор 44 поступает в обмотку 8 обратной связи магнитомодуляционного токосъемника 1, компенсируя магнитный поток, созданный током термопары

16.

Таким образом, значение тока в обмотке 8 обратной связи, определяемое регистратором

44, однозначно соответствует ЭДС, развиваемой термопарой 16.

Окончательно определение температуры вращающегося объекта в месте закладки

55 термопары 16 производится с учетом значения температуры холодного спая. Это значение определяется с помощью термореэистора 17, индуктивного токосъемника 3 и блока 19 измерения температуры холодного сная.

Изменение коэффициента преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменении температуры окружающей среды, приводящем к изменению магнитных свойств материала магнитопровода, воздушных зазоров, и т. п., компенсируется С помощью цепи преобразования сигнала подстройки включающей блоки 25 — 28 н 43. При этом изменение уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 28 с обратным знаком подается на управляющий вход управляемого усилителя 43, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффициент преобразования информативного тракта оставался постоянным. Тем самым в получающейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрешности преобразования.

Аддитивная составляющая погрешности преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 устраняется с помощью метода преобразования, включающего дополнительную модуляцию. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода 4 магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной полуволн низкочастотного напряжения дополнительной модуляции после второго 39 и третьего 40 выпрямителей при изменении магнитных свойств магнитопровода, вызванных колебаниями температуры. Несмотря на то, что плошади полуволн меняются, разность их при изменении параметров окружающей среды остается постоянной.

Отсутствие в предлагаемом устройстве по сравнению с известным управляемых ключей, вырезаюших переходнъй процесс после согласующего блока, позволяет увеличить количество . информации в каждый полупериод тока допол нительной модуляции и тем самым увеличить чувствительность устройства.

Кроме того, введение первой и второй линий задержки позволяет увеличить вдвое ко

-.лнчество информации за период ниэкочастотного тока дополнительной модуляции и тем самым еще более увеличить чувствительность устройства.

Погрешность преобразования в предлагаемом устройстве также уменьшена эа счет введения двух каналов преобразования.

1154557

1154557

Составитель В Журавлев

Техред СЛегеза

Редактор А. Козориз

Заказ 2704/36

Тираж 897

ВНИИПИ Государственного комитета СССР но делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.; д. 4/5

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

Корректор Л rbmmxo

Подписное