旋轉物體溫度的非接觸自動快速測量裝置的製作方法

2023-06-17 00:57:51 1

專利名稱：旋轉物體溫度的非接觸自動快速測量裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於對物理量的測量技術領域特別涉及對旋轉物體溫度的測量領域。
測量旋轉物體(如電機轉子等)溫度的方法可分兩大類一是有接觸測量，將感溫元件的電信號通過電刷與滑環傳遞到靜止部分加以測量；另一類為非接觸測溫，按其工作原理又分為；(1)光波耦合傳送溫度信號，(2)無線電波傳送溫度信號，(3)電磁耦合傳送溫度信號等等；前兩種方法造價高，實際中推廣應用有一定困難，而第(3)種用熱敏電容作感溫元件，通過非接觸的方法檢測感溫元件迴路的頻率響應，以測定溫度，較前兩種方法設備簡單、造價低，並可以實現多點溫度的測量。這種測量方法的測量裝置包括用文氏電橋做成的專用變頻電源，與之配合用的一臺陰極射線示波器，由熱敏電容與電感線圈組成的諧振電路，其中電感線圈安裝在被測物的轉軸上的旋轉園盤上，熱敏電容安裝在需要測溫的地方。其工作原理簡述如下熱敏電容的電容量C隨其溫度改變而變化，而熱敏電容與電感線圈組成的諧振電路，其諧振頻率又與電感量與電容量有關，而電感量一定的情況下，諧振頻率f0值即對應熱敏電容的溫度亦即被測點溫度值。採用這種裝置，必須用手動的辦法調節電源頻率，並同時用示波器觀察測量電橋中電阻r』p兩端電壓降信號的頻率響應，測得諧振頻率f0值，再由已知的f0＝f(T)關係求得被測點的溫度值，因此，這種裝置不足之處在於，既有人的主觀因素對測量結果的影響，又不能直接讀出被測溫度的值，而且所用設備仍較複雜，不易推廣應用。
本實用新型的目的在於為克服上述裝置的不足之處，設計出一種採用單片機為核心的非接觸自動快速測溫裝置，省去原來裝置的變頻電源和陰極示波器等設備，同時避免人為因素對測量結果的影響，實現自動、快速測溫，直接顯示被測溫度之值。
本實用新型設計出一種旋轉物體溫度的非接觸自動快速測量裝置，其基本構成包括如下各部分變壓器，與變壓器付邊相連的由電阻rp及電感線圈Lp與L』p構成的測量橋路，由諧振線圈Lsn(n≥1)與熱敏電容Csn(n≥1)構成的一個以上的諧振電路，其中所說的一個以上的諧振線圈固定在被測旋轉物體軸上的一個旋轉園盤上，所說的電感線圈Lp安裝在與旋轉園盤相鄰近的固定支架上，其特徵在於還包括用於數據處理的單片機，對測量橋路的輸出信號進行採集、處理後送入單片機的信號採集處理單元，對單片機數據處理結果進行顯示／輸出的數據顯示／輸出單元，由D／A轉換器，跟隨器、壓控振蕩器及濾波穩幅電路構成的變頻信號發生器與所說的變壓器原邊相連。本裝置可進行單點測量(即只有一組諧振線圈Ls1，Cs1)也可進行多點測量(即有Lsn，Csn其中n＞1)，進行多點測量時還要包括標記用的固定在園盤上的電感線圈Lst及固定電容Cst安裝在固定支架上的Lpt，由固定頻率電源與測量橋路組成的標記迴路。
本實用新型的基本特點是採用單片機及相應的外圍電路及予先編制並固化在單片機存儲器中的程序，省去了已有技術中的變頻電源和陰極示波器等設備，實現對旋轉物體溫度的非接觸自動快速測量。
本裝置進行多點測量的工作原理如

圖1所示，圖中的旋轉園盤是用非磁性材料做成，裝在被測旋轉物體的轉軸上，熱敏電容Cs1，Cs2....Csn是安裝在各測溫點，相配的諧振線圈Ls1...Lsn及標記用的電感線圈Lst及固定電容Cst均固定在園盤上，線圈Lp及Lpt分別裝在兩個靜止的支架上，與裝在園盤端面的Ls1...Lsn及Lst之間有適當的間隙，可以通過磁通相耦合，單片機的P3及P4口按程序設定不斷給D／A轉換器送變化的數字量，經D／A轉換為連續調節的模擬量電壓信號，跟隨器的作用是提高帶負載的能力，減小電壓波動，壓控振蕩器是將變化的電壓信號變為頻率為連續可調的方波信號，再經濾波、穩幅電路濾去其中的高次諧波得到基本上為正弦波的變頻信號並接到測量橋路的變壓器原繞組，測量橋路的作用是通過不斷地作頻率掃描過程中的頻率響應求得各個諧振迴路的諧振頻率f0，從而即可求出溫度值。由測量橋路中電阻rp兩端取出的Ur信號送到溫度信號採集、處理單元、經過放大、檢波和隔直，得到溫度信號包絡線的上半部分，送到單片機中的A／D轉換輸入端ACH4，每一個信號波形可以採集10多個點，用「冒泡法」一一比較得到對應於某一頻率的最大值，再用相同方法將對應於多個頻率的最大值逐一比較，求得當信號為最大時所對應的頻率即諧振頻率f0值。通過查對予先測定並存於單片機內存中的各組諧振迴路的熱敏電容溫度T與諧振頻率f0關係曲線的數據組，即可求出溫度值，該溫度值可以通過數碼管顯示，也可通過微型印表機輸出。為了能確定波形圖中的某個信號波形是代表那一組諧振電路的信號，在旋轉園盤中另外安裝了一組固定值電容Cst及電感線圈Lst所組成的諧振電路，其諧振頻率為一已知的固定值。它有另一套固定頻率的電源及類似的測量橋路組成的標記迴路，在靜止部分也有一個能與Lst相耦合的線圈Lpt，被測旋轉物體每轉一圈Lpt與Lst相耦合一次，也同樣產生一個諧振信號再經過適當的加工處理後形成一個觸發脈衝接到單片機的高速輸入端HSI，程序給定D／A轉換器由小到大逐步裝載。每加載一次後(即變頻信號變到一個較高的頻率)，等接到標記迴路的觸發信號時，即反覆啟動A／D轉換，把每次轉換的結果求出其最大峰值，按順序存於內存的一定區域，直到下次又接到標記迴路的觸發信號時，再次按順序採集到n個信號，一一對應地與上一次的各個信號進行比較，保留其中的大值存於內存的規定區域，如此反覆進行下去，即可求得各組測量迴路的諧振頻率值。
本實用新型用單片機及簡單的電子線路實現對旋轉物體的多點溫度非接觸測量，不但具有快速、準確、直觀等優點，而且裝置結構簡單，成本較低，易於推廣應用。
附圖簡要說明圖1為本實用新型總體結構框圖圖2為本實用新型的實施例中測量橋路及測溫諧振電路示意圖圖3為本實施例中單片機及變頻信號發生器電路示意圖圖4為本實施例中溫度信號採集、處理電路示意圖圖5為本實施例測量程序流程框圖圖6為本實施例裝置外殼面板示意圖本實用新型提供一種用於對電機轉子溫度測量裝置，其組成結構如圖2－圖5所示，由諧振電路及測量橋路，單片機及變頻信號發生器，溫度信號採集及處理電路，標記迴路及顯示／輸出單元各部分組成。結合各圖詳細描述如下1、諧振電路及測量橋路如圖2所示，旋轉園盤是用非磁性材料做成，裝在被試電機的軸上與電機的轉子一同旋轉，熱敏電容Cs1...Csn安裝在轉子需測溫的地點，在園盤端面安裝有電感線圈Ls1...Lsn及Lst，它們分別與Cs1...Csn及Cst相連組成諧振電路，測量橋路由變壓器、其付邊由上下兩段匝數相等的付繞組，相應的電感線圈Lp，L'p及一個小電阻rp所組成，其中Lp及Lpt分別安裝在兩個靜止的支架上，與裝在園盤端面上的Ls1...Lsn及Lst之間有適當間隙。
2、單片機及變頻信號發生器如圖3所示，其中單片機採用8098(也可用其他系列的，如MCS－51系列)，其P3及P4口與D／A轉換器(DAC0832)相連，按程序設定不斷給D／A送變化的數字量，經D／A轉換為連續調節的模擬量電壓信號送入跟隨器，跟隨器由兩個運放(LM358)組成，壓控振蕩器採用74LS624蕊片，它將變化的電壓信號變為頻率為連續可調的方波信號，濾波、穩幅電路由二個運放(LM357)構成，將方波信號變為近似正弦波的變頻信號並接到測量橋路的變壓器原繞組。
3、溫度信號採集，處理電路如圖4所示，由放大電路、檢波電路及隔直電路所組成，其輸出的溫度信號送到8098單片機中10位A／D的輸入端ACH4。
4、標記迴路及顯示／輸出單元部分標記迴路組成及工作原理如前所述，不再重複，顯示／輸出單元可採用數碼管顯示所測溫度值，也可採用微型印表機輸出所測溫度值。
本實施予先編制的測溫程序流程如圖5所示，其工作步聚如下為了連續地改變測量橋電源的頻率值，就需要不斷地改變D／A輸入的數字量，如8位D／A，即自0－255，(這可以對應於頻率為200－900KHz)每調一個數字，頻率變化約3KHz，相當於1℃。如開始給D／A賦初值為1，啟動D／A轉換，其後加一段延時量，為了使D／A輸出的模擬電壓及相應的頻率穩定下來然後再啟動A／D進行採樣。每一個經放大、濾波後的溫度信號波形包絡線，經分析計算其寬度約為1.0ms，(對應於電機轉速n≈1500rpm及一定的園盤及線圈直徑而言，)而每進行一次A／D轉換總的約為111個狀態周期，對6M晶振約為56us，對12M晶振約為28us，因此對一個波形可採樣18點(6M)或36點(12M)，按單片機不同值的晶振給寄存器BX賦一定的A／D轉換次數，每轉換一次BX－1。每次A／D轉換的結果與上次的值進行比較，保留其大值，捨棄較小的值，從而得到對應某一頻率的溫度信號之最大值，並讀入此時相應的頻率值。改變一個頻率後同樣又有一個信號最大值，與上次的最大值作比較保留大值，捨棄小值，反覆進行，最後可得到信號為最大時對應的頻率值。由此頻率值即可查出相應的溫度值，進行數制的轉換後顯示出實際的溫度之值。以上完成了單點一次測溫過程。若每隔0.5或1.0分鐘測溫一次，則由程序設定每隔一定時間間隔重複上述過程一遍，(測溫程序總框圖為單點測溫)對於多點(設n＝4)測溫，由標記迴路(其原理類似測量橋路，僅僅其電源f為固定值，如100KHZ，旋轉部分的安裝的Cst與Lst所組成的諧振迴路的f0調整為100KHZ)輸出信號經放大整形後得到一個標記脈衝，當然也可用其它方法(如電磁作用)得到標記脈衝，電機每旋轉一圈發出一個此脈衝，將它接到8098的HSI(高速輸入口)，每當D／A給出一個值時，等單片機接收到標記脈衝信號就反覆啟動A／D轉換，並將在時間上順序排列的(因在園盤周邊的空間上為順序安裝的各個線圈)各組溫度信號一一進行轉換，將其最大值分別存入預定的內存區中，當改變一個頻率後又得到n個最大值，將它們分別與內存中所對應的值作比較，同樣保留其大值，捨棄小值，如此反覆進行，直到全部頻率掃描結束時，即可得到n個最大值所對應的n個不同的諧振頻率值，從而求得n個被測溫度之值。
本實施例裝置如圖6所示，其儀器箱前面板包括電源開關、測溫時間間隔予置選擇開關，測量開關，五位數碼管組成的溫度顯示以及微型印表機輸出口，儀器後面板包括保險絲插孔，電源線插座，信號輸入接口及標記輸入接口。
本實施例中的單片機及變頻信號發生器、溫度信號採集、處理電路均安裝在儀器箱內的印刷電路板上，測量橋路及諧振電路，標記迴路及固定頻率的諧振電路均分別安裝在被測旋轉物體附近的支架及轉動園盤上，其信號通過導線連接到儀器後面板的信號輸入接口及標記輸入接口與儀器內的各電路相連通。
權利要求1.一種旋轉物體溫度的非接觸自動快速測量裝置，包括變壓器、與變壓器付邊相連的由電阻rp及電感線圈Lp與L′p構成的測量橋路，由諧振線圈Lan(n≥1)與熱敏電容Can(n≥1)構成的一個以上的諧振電路，其中所說的一個以上的諧振線圈固定在被測旋轉物體轉軸上的一個旋轉園盤上，所說的電感線圈Lp安裝在與旋轉園盤相鄰近的固定支架上，其特徵在於還包括用於數據處理的單片機，對測量橋路的輸出信號進行採集、處理後送入單片機的信號採集處理單元，對單片機數據處理結果進行顯示/輸出的數據顯示/輸出單元，由D/A轉換器，跟隨器，壓控振蕩器及濾波穩幅電路構成的變頻信號發生器與所說的變壓器原邊相連。
2.如權利要求1所述的測量裝置，其特徵在於還包括標記迴路，它由固定電容Cst及相應的電感線圈Lst構成的具有固定諧振頻率的諧振電路，與Lst進行耦合的電感線圈Lpt，測量橋路及固定頻率電源所組成。
專利摘要旋轉物體溫度的非接觸自動快速測量裝置，屬於對物理量——溫度的測量技術領域。本裝置包括測量橋路。由熱敏電容及諧振線圈組成的多組測溫諧振電路、單片機、變頻信號發生器、溫度信號採集、處理電路、標記迴路及顯示/輸出單元各部分所組成。其特點是省去已有裝置的變頻電源和陰極示波器等設備，採用單片機及簡單的外圍電路及預先設置的程序，實現對旋轉物體的多點溫度非接觸測量，具有快速、準確、直觀等優點，易於廣泛推廣應用。
文檔編號G01K7/34GK2139695SQ9224527
公開日1993年8月4日 申請日期1992年12月30日 優先權日1992年12月30日
發明者徐伯雄, 陳宜林 申請人:清華大學