ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОГО ПОТОКА
DIFFERENTIAL DEVICE FOR MEASURING TEMPERATURE OF GAS FLOW

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 с частотой гармоники и наступления резонанса.
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 со вторым входом первой схемы совпадения, а каждый второй, со второго по k-й, вход k-й схемы совпадения, начиная со 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 изобретения является повышение быстродействия и точности в сочетании с его упрощением устройства для измерения температуры газового потока, с сохранением работоспособности при выходе из строя одного из каналов измерения.
Поставленная задача решается использованием дифференциального устройства измерения температуры газового потока, состоящего из двух каналов измерения, каждый из которых содержит струйный генератор, пьезоэлектрический преобразователь, адаптивный селектор, и блока обработки информации, содержащего схему вычитания частот, входы которой соединены с выходами адаптивных селекторов, его выход соединен с первым входом элемента «ИЛИ», выход которого является выходом устройства; при этом выходы адаптивных селекторов через соответствующие каналам схемы «И» и делители частот соединены со вторым и третьим входами элемента «ИЛИ, а вторые входы схем «И» через инверторы соединены выходами противоположных адаптивных селекторов.
При этом в случае выхода из строя одного из каналов измерения, например второго, в блоке обработки информации устанавливается соединение выхода первого адаптивного селектора через первый вход первой схемы «И», на второй вход которой поступает разрешающий сигнал через инвертор с выхода второго адаптивного селектора, с первым делителем частоты, выход которого через второй вход элемента «ИЛИ» поступает на выход устройства.
При выходе из строя первого канала измерения в блоке обработки информации устанавливается соединение выхода второго адаптивного селектора через первый вход второй схемы «И», на второй вход которой поступает разрешающий сигнал через инвертор с выхода первого адаптивного селектора, со вторым делителем частоты, выход которого через третий вход элемента «ИЛИ» поступает на выход устройства.
Технический результат заключается в использовании адаптивных селекторов первой гармоники частоты полигармонического сигнала с выхода пьезоэлектрического преобразователя и обработке аналогового сигнала, реализующего дифференциальный способ измерения, без промежуточных преобразований.
Кроме того, сущность технического решения поясняется чертежами, где:
- на Фиг. 1 представлена блок-схема дифференциального устройства измерения температуры газового потока;
- на Фиг. 2 представлена блок-схема адаптивного селектора.
Сущность: в устройстве реализуется принцип фазовой автоподстройки первой гармоники частоты полигармонического сигнала с применением в адаптивном селекторе электронно-перестраиваемого фазовращателя, управляемого генератором пилообразного напряжения, и обработкой аналогового сигнала без промежуточных преобразований, реализующей дифференциальный способ измерения.
Дифференциальное устройство измерения температуры газового потока содержит блок обработки информации и два канала измерения, каждый содержащий струйный генератор, имеющий быстродействие на три порядка выше по сравнению с термопреобразователями, и пьезоэлектрический преобразователь, соединенный с целью повышения точности и быстродействия измерения с адаптивным селектором, реализующим принцип фазовой автоподстройки первой гармоники частоты полигармонического сигнала с выхода пьезоэлектрического преобразователя. Блок обработки информации без промежуточных преобразований реализует дифференциальный способ измерения, что упрощает схему и повышает быстродействие дополнительно в два-три раза.
Дифференциальное устройство измерения температуры газового потока (Фиг. 1) содержит два канала измерения 1, 2 и блок обработки информации (БОИ) 3. Каждый канал измерения 1 (2) содержит струйный генератор (СГ) 4 (5), пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП) 6 (7) для преобразования акустического сигнала в электрический, адаптивный селектор (АС) 8 (9).
Блок обработки информации содержит схему вычитания частот (ВЧ) 10, один элемент «ИЛИ» 11, две схемы «И» 12 и 13, два инвертора 14 и 15, два делителя частоты (ДЧ) 16 и 17.
Адаптивный селектор (Фиг. 2) содержит электронно-управляемый фазовращатель (ЭУФ) 18, соединенный с первым входом компаратора фаз (КФ) 19, на второй вход которого полигармонический сигнал поступает непосредственно, и с первым входом схемы «И» 23, а выход компаратора через ключ 20 соединен со вторым входом схемы «И» и первым входом генератора пилообразного напряжения 21 (ГПН), второй вход которого соединен с одновибратором 22, а выход ГПН 21 соединен с управляющим входом фазовращателя 18.
i
i
Адаптивный селектор (Фиг. 2) работает следующим образом. Входной полигармонический сигнал nƒ поступает на электронно-перестраиваемый ГПН фазовращатель, соединенный с первым входом КФ, на второй вход которого поступает сигнал напрямую с выхода ПЭП. ЭУФ осуществляет перестройку частоты до равенства фаз с частотой первой гармоники ƒ, поступающей непосредственно на второй вход компаратора, под управляющим воздействием ГПН, запускаемого OB. КФ при равенстве фаз через ключ фиксирует напряжение развертки ГПН и выдает сигнал на открытие схемы совпадения «И», пропуская настроенную частоту после ЭУФ на выход. Частота настройки осуществляется за один период работы ГПН, а частота запуска ГПН зависит от частоты работы одновибратора.
Применение фазовой автоподстройки частоты для ЭУФ, состоящего из RC-звеньев, где роль перестраиваемых емкостей С выполняют варикапы, 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. варикапы - практически безынерционные элементы до субмиллиметрового диапазона (см. Берман Л.С. Введение в физику варикапов. - Л.: Наука, 1968. С. 38), а обработка аналогового сигнала без промежуточных преобразований значительно упрощает схему, что повышает надежность устройства.
1
2
1
2
Дифференциальное устройство измерения температуры газового потока работает следующим образом. При помещении двух СГ 4 и 5, расположенных в одном корпусе, в газовый поток, абсолютную температуру которого измеряют, в них возбуждаются акустические колебания с частотами nƒ и nƒ, преобразуемые с помощью ПЭП 6 и 7 в соответствующие электрические полигармонические колебания, которые в свою очередь поступают на входы адаптивных селекторов 8 и 9, осуществляющих отбор первых гармоник ƒ и ƒ, пропорциональных измеряемой температуре газового потока.
l
2
В блоке обработки информации с выхода ВЧ 10, реализующем дифференциальный принцип измерения, разность частот Δƒ=ƒ-ƒ, также пропорциональная температуре газового потока, через первый вход элемента «ИЛИ» поступает на выход устройства.
Дифференциальное включение повышает быстродействие устройства в два с лишним раза за счет сокращения переходного процесса установления измеряемой разницы частот (Гулин А.И. Быстродействующий измеритель температуры газов в газотурбинном двигателе // Авиакосмическое приборостроение. - 2012. - №9 - С. 10-14).
2
2
При выходе из строя одного из каналов измерения, например первого, схема «И» 12 запирается нулевым потенциалом с выхода АС 8, а через инвертор 15 открывает схему «И» 13, пропуская частоту ƒ после деления в k раз ДЧ 17 через элемент «ИЛИ» 11 на выход устройства в виде Δƒ.
Аналогичным образом работает схема при выходе из строя второго канала измерения.
1
2
Коэффициенты деления k и k делителей частоты 16 и 17 выбирают таким образом, чтобы частоты на их выходах были равны разности частот Δƒ, т.е.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить быстродействие, точность и резервирование, а также упростить схему устройства измерения температуры газового потока, что обеспечивает его высокую надежность.