Многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта

 

МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВРМ1АЮЩЕГОСЯ 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 , модуляционнзгю обмотки и обмотку обратной свяэи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивного токосъемника к термопаре , и вторичную аппаратуру, содержащую соглас.ующий 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, поспедовательно 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 управля (Л ющему, 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, а с целью улучшения динамических 00 характеристик устройства и уменьшения погрешности преобразования, 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 управляемого ключа, а управляющий вход синхронного детектора - к выходу делителя частоты , вход которого соединен с выходом генератора переменного тока.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (19) 01.

4(5I) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ . К ASTOPCHOlVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ. СССР

AO ДЕЛАМ, ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3571032/24-10 (22) 01.04.83 (46) 23.06.85.Бюл. 9 23 (72)В.Б. Малешин, В.Г. Гусев, М.П. Иванов, В.В. Костылев и А.П. Торгашев (53) 536.532 (088.8) (56) l.. Самбурский А,И., Новак В.К.

Бесконтактные измерения параметров вращающихся объектов. N., "Машиностроение", 1976, с.13-77.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 972265, кл. С 01 .К 13/08, 1981 (прототип). (54)(57) 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, и в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий в себя магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, 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 управляемыи ключ, второй интегратор и управляемый усилитель мощности, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, поспедовательно 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 одновиб- ратора и второго управляемого ключа — к выходу делителя частоты, о т л и ч а ю щ е е с я 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 синх-. ронного 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! 63164

f0!

25

35

50

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и пред назначено для контроля температуры вращающихся элементов различного оборудовани.; с помощью термопар.

Известны многокальные устройства для измерения температуры вращающе-< гося объекта с помощью термопар, сигнал которых преобразуется на вращающемся объекте с помощью дополнительных преобразователей (источников питания, усилителей, модуляторов, преобразователей напряжение частота и т.п.) в переменный сигнал, который затем передается на неподвиж ную аппаратуру с помощью бесконтактных токосъемных устройств (индуктивных, индукционных и емкостных токосъемников) или по радио- и оптическому каналам (1) .

Точность измерения температуры с помощью этих устройств сравнительно невелика, так как активные дополнительные преобразователи, расположенные на вращающемся объекте, вносят при преобразовании сигналов термопар дополнительные погрешности.

Кроме того, укаэанные активные дополнительные преобразователи выполняются, как правило, на полупроводниковых элементах, что ограничивает максимальную температуру окружающей среды до 125-150 С, а погрешности измерения составляют при этом не менее 5Х. Введение специального охлаждения полупроводниковых элементов не всегда возможно, и, как правило, нежелательно, так как существенно меняет энергетические режимы работы собственно вращающихся объектов, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является многоканальное устройство для измерения температуры вращающегося объекта, включающее индуктивный токосъемник с числом вращающихся обмоток, равным числу каналов устройства, генератор сигнала подстройки, подключенный к неподвижной обмотке инду;.тивного токосъемника,и и содержащее 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 вра- щающуюся обмотку индуктивного токосъемника к. термопаре, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подключены последовательно соединенные второй управляемый ключ и режекторный фильтр, к выходу которого подключены последовательно соединенные фильтр верхних частот, первый попосовой фильтр, демодулятор (выпрямитель) и первый интегратор, также последовательно соединенные фильтр низких частот, второй полосовой фильтр, первый управляемый ключ, второй интегратор и управляемый преобразовагель напряжение — ток, нагруженный через регистратор на обмотку обратной связи, кроме того, последовательно соединенные умножитель частоты, подключенный к выходу генератора переменного тока, делитель частоты и преобразователь напряжение — ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, и одновибратор, вход которого подключен к выходу делителя частоты, а выход соединен с управляющим входом второго управляемого ключа, при этом выход первого интегратора подключен к управляющему входу первого управляемого преобразователя напряжение — ток, а управляющие входы первого управляемого ключа подключены к выходам умножителя и делителя частоты соответственно $2) Однако известно устройство имеет ,недостаточно хорошие динамические характеристики и сранительно большую погрешность преобразования при быстрых изменениях входного сигнала термопары. .Это вызвано тем, что необходимые в структуре устройства для выделения полезного сигнала второй гармоники генератора тока основной модуляции полосовые фильтры должны выполняться высокодобротными. Вследствие этого они имеют большую инерционность и при подаче на их вход сигналов с крутыми фронтами (огибающая сигнала дополнительной модуляции) начинают подвозбуждаться (звенеть" ). Кроме того, на выходе фильтра после прохождения счгнала появляется переходный процесс большой длительности, который, суммируясь с полезным сигналом, приводит к увеличению погрешности преобразования. Поскольку параметры этого переходного процесса зависят от величины входного сигнала и изменения параметров магнитопровода при колебаниях температуры, то исключить эту составляющую погрешности преобразования довольно трудно.

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик устройства и уменьшение погрешности преобразования.

Поставленная цель достигается тем, что в 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, и в каждом канале измерения термопару, расположенную на вращающемся объекте, магнитомодуляционный токосъемник, включающий в себя магнитопровод и неподвижные измерительную, модуляционную обмотки и обмотку обратной связи, а также вращающуюся обмотку, подключенную через соответствующую вращающуюся обмотку индуктивногэ токосъемника к термопаре, и вторичную аппаратуру, содержащую согласующий блок, подключенный к измерительной обмотке, к выходу которого подк.— лючены 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 обрат- . 5 .ной связи, генератор переменного тока, подключенный к модуляционной обмотке, последовательно соединенные делитель частоты и преобразователь напряжение — ток, выход которого подключен к измерительной обмотке, а также одновибратор и фильтр низких частот, вход которого под«

1163164 4 ключен 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, введены

1О 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 выхо. ду делителя частоты, вход которого э0 соединен с выходом генератора переменного тока.

На фиг. 1 приведена функциональная блок-схема многоканального устройства для измерения температуЪ

25 Ры вращающихся объектов (вторичная аппаратура показана для одного канала преобразования); на фиг. 2 и 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства ° )

Устройство содержит магнитомодуляционные токосъемники l,число которых равно числу каналов измерения температуры вращающегося объекта, индуктивный токосъемник 2 для пере35 дачи сигнала подстройки, индуктивный токосъемпик 3 для контроля температуры холодного спея термопар и вторичную аппаратуру.

Каждый магнитомодух.яционный то40 косъемник 1 включает магнитопровод 4, вращающуюся сигнапьную обмотку 5 и ряд неподвижных обмоток — измерительную 6, модуляционную 7 и обрат-, ной связи 8. В. качестве магнитомоду45 ляционного токосъемника 1 может .быть использован любой известный тип преобразователей с продольной, поперечной модуляцией.

Индуктивный токосъемник 2 включа0 ет магнитопровод 9, неподвижную обмотку 10 и ряд вращающихся идентичных обмоток 11 {например, скрученных в один провод иэ нескольких изолированных жил), число, которых

55 .равно числу каналов устройства.

Индуктивный токосъемник 3 включает магнитопровод 12, неподвижную обмотку 13 и вращающуюся обмотку 14.

1163164

На вращающемся объекте расположены тврмонары 15, число которых равно числу каналов измерения, терморвзистор 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 и соединенных проводов иало.

Терморезистор 16 располагается непосредственно на холодном спае одной из термопар 15 и его сонротивление однозначно соответствует температуре спая. Терморезистор 16 может выполняться в виде проволоки из меди или платины, намотанной на холодный спай термзпары 15. При небольших температурах холодного сная термопары 15 возможно использование полупроводниковых терморезисторов. Холодные спаи термопар 15 должны располагаться в непосредственной близости друг от друга, чтобы они имели возможно более близкие значения температур. Терморезистор 16 подключается к вращающейся обмотке 14 индуктивного токосъемника 3.

Каждая из термопар 15 включена последовательно с соответствукнщими вращающейся обмоткой 11 индуктивного токосъемника 2 и резистором 17 и соединена с вращащщейся обмоткой 5 соответствующего индуктивного токосъемника 1. Неподвижная обмотка 13 индуктивного токосъемника 3 подключена к блоку измерения температуры холодного спая териопары !8.

Неподвижная обмотка 10 индуктив:ного токосъемника 2 подключена к выходу генератора 19 сигнала под1..тройки, который представляет собой генератор переменного напряжения стабильной частоты (2-3 кГц) и стабильной амплитуды, значение которой не влияет существенно на магнитное состояние магнитопроводов магнитомодуляционных токосъемников 1 (единицы - десятки милливольт) .

Аппаратура обработки измери тельного сигнала магнитомодуляционных токосъемников 1, одинаковая для каждого канала измерения (на фнг. 1 показана аппаратура только одного

10 канала), содержит генератор 20 переменного тока модуляции стабильной частоты и амплитуды, делитель 21 частоты, преобразователь напряжение « ток 22, согласующий блок 23, первый управляемый ключ 24, режекторный фильтр 25, первый фильтр 26, верхних частот, полосовой фильтр 27, демодулятор 28, первый интегратор 29, фильтр 30 низких частот, синхронный детектор 31, второй фильтр 32 верхних частот, асинхронный детектор 33, второй управляемый ключ 34, второй интегратор 35, управляемый уснли1з тель 36 мощности, регистратор 37 и одновнбратор 38.

Делитель 21 частоты имеет коэффициент деления 8 — 10. Режекторный фильтр 25 подавляет первую гармонику тока основной модуляции 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 с еэа в 2-3 раза выше частоты второй гармоники тока основной модуляции генератора 20. Второй фильтр 32 верхних частот имеет частоту среэа, в 1,2-1,3 раза большую, чем частота, получаемая делением частоты тока генератора 20 на коэффициент деления делителя 21. Преобра3 эователь напряжение — гок 22 и управляемый усилитель 36 мощности имеют достаточно высокое выходное сопротивление (сотни килоом " единицы мегаом .

40 Вход согласующего блока 23 подключен к измерительной обмотке 6.

К выходу блока 23 подключены последовательно соединенные ключ 24 н фильтр 25, к выходу которого под-.

4> ключены последовательно соединенные фильтры 26 н 27, демодулятор 28 и интегратор 29. Выход ключа 34 соединен с входом интегратора 35, к выходу которого подключен усилитель Э6, нагруженный через регистратор 37 на обмотку 8. Генератор 20 подключен к обмотке 7. Выход делителя 21 частоты соединен с входом преобразователя 22, нагруженного на обмотку 6. Вход фильтра 30 под-. лючен к выходу фильтра 25, выход генератора .29 — к управляющему входу усилителя 36, выход одновибра25

7 1163 тора 38 — к управляющему входу ключа 24, а вход одновибратора 38 и ключа 34 — к выходу делителя 21.

Детектор 31, фильтр 32 и детектор 33 соединены последовательно, причем вход детектора 31 подключен к выхо.ду фильтра 30, выход детектора 33к входу ключа 34, а управляющий вход детектора 31 — к выходу делителя 21, вход которого соединен с вы- >0 ходом генератора 20.

Устройство работает следующим образом (рассматривается работа одного канала измерения температуры).

Генератор 20 возбуждает в модуля- 15 ционной обмотке 7 токосъемника 1 ток, который создает магнитный поток в магнитопроводе 4, достаточный для насыщения одного из участков магнитной цепи. 20

Через измерительную обмотку б протекает прямоугольный ток со скважностью, равной двум, формируемый с помощью цепи, состоящей из блоков 20 — 22.

Одновременно сигнал подстройки генератора. 19 передается с помощью индуктивного токосъемника 2 во вра« щающуюся цепь термопары 15 (термопара 15, вращающиеся обмотки 5 и 11 и резистор 17), При отсутствии разницы температур между рабочим и холодным спаями вращающейся термопары 15 развиваемая ее ЭДС равна нулю, и посто- 35 янный ток во вращающейся цепи не протекает. Поэтому в неподвижной измерительной обмотке 6 магнитомодуляционного токось мника 1 наводится ЭДС, состоящая из четных 40 и нечетных гармоник тока основной модуляции генератора 20 и сигнала подстройки, промодулированных низкочастотным прямоугольным напряжением от тока дополнительной мо- 45 дуляции.

Указанный сигнал проходит согласующий блок 23 и поступает на вход гервого управляемого ключа 24, который срезает коммутационные вь:-- 50 бросы, возникающие при скачкообразном изменении напряжения на измерительной обмотке 6 при изменении полярности тока дополнительной модуляции преобразователя напряже- 55 .< ние - ток 22. Управление ключом 24 производится с помощью перестраиваемого одновибратора 38, синхронизи)64 8 рованного от делителя 21 частоты.

),Форма выходного напряжения первого упраляемого ключа 24 (V ) приведена на фиг ° 2 а).

Дале си1нал поступает на вход режекторного фильтра 25, который подавляет первую гармонику частоты тока основной модуляции. С выхода фильтра 25 сигнал поступает на входы фильтров 26 и 30 соответственно верхних и низких частот.

Фильтр 26 выделяет сигнал подстройки, который затем усиливается полосовым активным фильтром 27, выпрямляется демодулятором 28 сигнал .У огибающей интегрируется первым интегратором 29 и заводится на управляющий вход управляемого усилителя 36 мощности, коэффициент усиления которого, таким образом, определяется уровнем огибающей сигнала подстройки.

Фильтр 30 низких частот выделяют преимущественно сигнал второй гармоники тока основной модуляции (информативный сигнал), который затем подается на вход синхронного детектора 31, управляемого напряжением с выхода делителя 21 частоты. После выпрямления сигнал подается далее на вход фильтра 32 верхних частот, который вьщеляет сигнал второй гармоники тока основной модуляции генератора 20.

Фактически здесь происходит потеря низкочастотной составляющей сигнала, образованной прямоугольным током дополнительной модуляции. (Форма выходного сигнала фильтра 32 (Ч ) приведена на фиг 2 б) .

Далее асинхронный детектор 33 выпрямляет полученный информативный сигнал (форма выходного напряжения асинхронного детектора 33 (V ç ) приведена на фиг.2в), а второй управляемый ключ 34, которьй управляется напряжением с выхода делителя 21 частоты, формирует двухполярный сигнал, форма которого (V ) приведена на фиг. 2г. Этот сигнал интегрируется интеграто;ом 3S и поступает на вход управляемого усилителя 36 мощности, затем преобразуется в ток, который через регистратор 37 подается в обмотку 8 обра" ной связи магнитомодуляционного токосъемника ).

При отсутствии разности температур между спаями термопары 15 н ра9 1163 венстве нулю остаточной намагниченности .магнитопровода площади эпюр напряжений положительной и отрицательной полярностей на выходе асинхронного ключа 34 одинаковы. Поэтому на выходе второго интегратора 35 нулевой сигнал и ток в обмотке 8 обратной связи не протекает.

При появлении разности температур между спаями термопары 15 во 10 вращающейся цепи протекает постоянный ток, пропорциональный этой разности. В соответствии с принцийом работы магнитомодуляционного

I токосъемника 1 это вызывает измене- 15 ние уровня второй гармоники тока основной модуляции на измерительной обмотке 6. Поскольку производится дополнительная модуляция низкочас тотным прямоугольным током» то 20 постоянный магнитный йоток, созданный развиваемой термопарой 15 ЭДС, в один полупериод низкочастотного тока дополнительной модуляции суммируется с магнитным потоком допол- 25 нительной модуляции, а в другой— вычитается. Зто вызывает увеличение уровня второй гармоники в один из полупериодов и уменьшение — в другой. Форма входного сигнала первого управляемого ключа 24 имеет вид, приведенный на фиг. За (V + ).

Соответственно на входах блоков 32-34 присутствуют сигналы, имеющие форму, приведенные на фиг. 36, . 35 в и г соответственно. Поскольку площади эпюр напряжений положи-ельной и отрицательной полярностей в этом случае неравны, то на выходе второго интегратора 35 появляется 40 постоянное напряжение, которое преобразуется управляемым усилителем 36 в ток, который протекает через регистратор 37 по обмотке 8 обратной связи, компенсируя магнитный поток, созданный вращающейся обмоткой 5. Значение тока компенсации в обмотке 8 обратной связи однозначно соответствует разности температур между спаями термопары 15. 50

Наличие остаточной намагниченности магнитопровода 4 эквивалентно воздействию магнитного потока, создаваемого токам термопары !5 во вращающейся обмотке 5. Остаточный магнитный поток также суммируется или вычитается с низкочастотным магнитным потоком дополни164 10 тельной модуляции в каждый из полупериодов ° В итоге по обмотке 8 обратной связи протекает ток, компенсирующий . этот ложный сигнал.

Поэтому после прогрева аппаратуры перед началом проведения измерений должен выставляться ноль у регистратора 37.

Окончательно определение температуры вращающегося объекта в месте закладки термопары 15 производится с учетом значения температуры холодного спая, определяемого с помощью терморезистора 16, индуктивного токосъемника 3 и блока 18 измерения. Этот блок можетбыть выполнен по известной измерительной схеме с трансформацией сопротивления или с емкостными токосъемниками..Изменения коэффициента преобразования магнитомодуляционного токосъемника 1 при изменениях температуры окружающей среды, приводящих к изменению магнитных свойств мате- риала магнитопровода, воздушных зазоров и т.п., компенсируется с помощью цепи преобразования сигнала подстройки, включающей блоки 26-29 и 36. При этом изменения уровня огибающей сигнала подстройки на выходе первого интегратора 29 с обратным знаком подаются на управляющий вход управляемого усилителя 36, изменяя его коэффициент усиления таким образом, чтобы коэффициент передачи тракта, включающего магнитомодуляционный токосъемник l, линию связи и блоки 23-25, 30-36 оставался постоянным,тем самым в получавшейся компенсационной схеме исключается влияние мультипликативных составляющих погрешности преобразования.

Аддитивная составляющая ;огрешности преобразования магнитомодуляционного токосъемника l устраняется с помощью использования метода преобразования, включающего дополнительную модуляцию, реализуемую с помощью блоков 20-25, 30-34. При этом используется симметрия кривой намагничивания магнитопровода магнитомодуляционного токосъемника 1, что обеспечивает одинаковое изменение площадей отрицательной и положительной площадей эпюр напряжений на выходе асинхронного детектора 34 при изменении магнитных свойств маг-;

ll нитопровода, вызваниы.; колебаниями температуры. Несмотря на то, что эти площади меняются, разность их

1163164 12 при изменении параметров окружающей среды остается постоян— ной.

1163164

11 63164

Составитель В. Журавлев

Редактор Т. Кугрьппева Техред А.Кикемезей . Корректор И,Мускя

Заказ 4095/40 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий .113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

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