книги из ГПНТБ / Катков, Ф. А. Телемеханика учеб. пособие

К первой подгруппе относятся синхронные системы телеизмерения, характеризуемые дальностью действия до нескольких сотен метров, простотой аппаратуры и многопроводностыо. Системы такого типа обычно работают на переменном токе и обладают свойством обратимости, т. е. передатчик и приемник можно поменять местами. В подгруппе синхронных систем выделяются нулевые системы телеизмерения, при­ мером которых могут быть системы передачи угла на сельсинах и магнетсинах, а также мостовые системы телеизмерения, представляющие собой самобалансирующиеся мосты. Принцип работы последних за­ ключается в том, что определенному положению датчика и приемника соответствует вполне определенное состояние моста, называемое баланс­ ным. Это состояние может быть изменено передатчиком н восстановле­ но приемником. Узлом сравнения в таких системах телеизмерения яв­ ляется сама мостовая схема, причем сравниваются не напряжения или токи, а параметры, характеризующие мост. Примером систем этого типа могут быть синхронные индуктивные мосты, обеспечивающие пе­ редачу угловых или линейных перемещений.

Ко второй подгруппе систем телеизмерения ближнего действия от­ носятся небалаисные мостовые системы, у которых датчиками служат потенциометрические и индуктивные преобразователи, а приемными устройствами — логометры. Эта разновидность систем работает как на переменном, так и на постоянном токе, и также относится к серии миогопроводных систем с дальностью действия до нескольких сотен метров.

Ктретьей подгруппе систем телеизмерения ближнего действия от­ носятся токовые системы, которые делятся на неуравновешенные и ба­ лансные. Характерными признаками этой подгруппы являются: про­ стота аппаратуры, работа на постоянном токе и дальность действия до 10—15 км. В качестве передающего устройства третьей подгруппы могут использоваться различные регуляторы тока, потенциометрические

идругие датчики. Приемными устройствами являются приборы с низ­ ким входным сопротивлением, обычно миллиамперметры.

Кчетвертой подгруппе систем телеизмерения ближнего действия относятся системы напряжения, которые делятся на компенсационные

ииекомпенсацнонные. Они обладают теми же признаками, что и систе­ мы третьей подгруппы, однако отличаются от них тем, что приемник имеет большее входное сопротивление. В некомпенсационных системах роль приемника выполняет вольтметр, а в компенсационных — ком­ пенсационное устройство любого типа.

К системам телеизмерения дальнего действия относятся систе­ мы, обеспечивающие дальность передачи контролируемого параметра от десятков до тысяч километров по выделенным проводным и высоко­ частотным линиям связи и радиоканалам. Основной особенностью си­ стем этой группы является применение электронных средств для по­ строения аппаратуры и использование импульсных и частотных при­ знаков тока в качестве вспомогательной величины, передаваемой по ка­ налам связи. К этой группе систем можно отнести различного типа импульсные, частотные и частотно-импульсные системы.

По принципу действия все многообразие телеизмерительной аппа­

150

ратуры можно разделить на аналоговые и дискретные системы. К пер­ вым относятся такие, у которых каждому значению контролируемого параметра соответствует определенный сигнал телеизмерения. Вто­ рые отличаются тем, что каждое значение контролируемого параметра с определенной, заранее заданной степенью точности относится к бли­ жайшему дискретному уровню. При этом в линию связи передается конечное значение уровней, каждому из которых соответствует определен­ ная кодовая комбинация. Поэтому ха­ рактерным узлом дискретной системы телеизмерения является устройство квантования контролируемого пара­ метра по уровню и времени. Кванто­ вание связано с сшибкой, которая на­ зывается погрешностью дискретности, или шумом квантования. Погрешность дискретности можно свести к мини­ мальному значению путем увеличения числа ступеней квантования.

Наиболее полной является клас­ сификация систем телеизмерения по параметру, передаваемому в канал связи (рис. 6.2). Рассмотрим измене­ ние контролируемой величины (рис. 6.2, а) от значения NLдо N2и просле­ дим, какими параметрами можно обес­ печить передачу этих значений по ли­ нии связи.

На рис. 6.2, бпоказан принцип те­ леизмерения с помощью тока или нап­ ряжения U, величина которых пропор­ циональна значениям N1и ЛСВремя f соответствует времени переходного процесса в системе телеизмерения. Системы такого типа относятся к си­ стемам телеизмерения ближнего дейст­ вия и часто называются системами ин­ тенсивности.

На рис. 6.2, в изображен число­ импульсный способ телеизмерения, когда каждому значению контроли­ руемого параметра соответствует

определенное число импульсов, передаваемое в канал. Системы такого типа носят название число-импульсных, по принципу работы являются дискретными и относятся к системам телеизмерения дальнего действия.

На рис. 6.2, г демонстрируется принцип телеизмерения, при кото­ ром контролируемая величина преобразуется в длительность импуль­ сов. Системы такого типа относятся к системам телеизмерения дальнего действия и носят название время-импульсных.

151

Принцип работы кодо-импульсной системы (рис. 6.2, д) заключает­ ся в преобразовании значения контролируемого параметра в кодовые комбинации, каждая из которых соответствует определенному уровню контролируемого параметра. Эта разновидность систем также отно­ сится к системам телеизмерения дальнего действия.

Системы телеизмерения могут быть построены по принципу преобра­ зования контролируемой величины в частоту импульсов постоянного тока (рис. 6.2, е). В такой системе частота импульсов является функци­ ей контролируемой величины. По дальности передачи эта разновид­ ность систем относится к системам телеизмерения дальнейшего действия.

На рис. 6.2, ж показан принцип, положенный в основу построения частотных систем телеизмерения, у которых частота синусоидального тока, передаваемая в канал связи, зависит от значения контролируе­ мого параметра. Системы такого типа носят название частотных и от­ носятся к группе систем телеизмерения дальнего действия.

На рис. 6.2, з, и показан принцип построения фазо-импульсной (з) и фазовой (и) систем. В фазо-импульсной системе осуществляется изме­ нение угла сдвига фаз между маркерными (а) и информационными им­ пульсами (с). В пункте приема измеряется фазовый сдвиг, по которому определяется значение контролируемой величины. Фазовая система строится на принципе измерения угла сдвига фаз между двумя напря­ жениями одинаковой частоты. При этом на измеряемом объекте произ­ водится преобразование контролируемого параметра в фазу, которая изменяется пропорционально значению параметра. Как фазо-импульс­ ная, так и фазовая системы относятся к системам телеизмерения даль­ него действия.

6.4. ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТИПОВ ТЕЛЕИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Системы интенсивности. Как было сказано выше, системы интен­

сивности строятся по принципу преобразования контролируемого па­ раметра в пропорциональное значение постоянного или переменного тока. Чтобы свести к минимуму влияние линии связи на точность пе­ редачи, стремятся уменьшить потери

Это объясняется дополнительными потерями в индуктивностях и емкос­ тях канала связи для систем, работающих на переменном токе. Поэто­ му системы интенсивности работают в основном на постоянном токе. Но даже и в этом случае за счет непостоянства активного сопротивле­ ния линии и утечки в ней происходят искажения передачи, величина

152

которых зависит от типа используемой линии связи и применяемой ап­ паратуры.

Рассмотрим влияние канала связи на работу системы интенсивнос­ ти при передаче контролируемой величины постоянным током. Для этого линию представим в виде Т-образной эквивалентной схемы (рис. 6.3). Так как передача осуществляется постоянным током, то ем­ кость и индуктивность линии можно не учитывать. Уравнения для контуров эквивалентной схемы имеют вид:

Щро ■ ' + Ra {Ri + Rz) Go ~2—1" RuL+ Rt + Rz +

Рассмотрим первый случай, когда э. д. с. Ех пропорциональна кон­ тролируемому параметру Ех = kxЛ,, а отклонение стрелки приемного прибора пропорционально току /2, т. е. апп = k j 2. Абсолютная по­ грешность телеизмерения от непостоянства активного сопротивления линии связи

где АД„ — величина приращения активного сопротивления линии связи.

153

или

Ri + R A -R iR A J -R p i,-^ -

+

ÄqGo-j 4 - (Ri -I- Ri) G„ y - + /

Для кабельных линий связи, где утечки по сравнению с активным сопротивлением жил кабеля малы, можно считать G0 = 0. Тогда вы­ ражение для относительной погрешности телеизмерения за счет коле­ бания величины погонного сопротивления линии Д0 принимает вид

Из выражения (6.22) видно, что для уменьшения величины отно­ сительной погрешности необходимо, чтобы отношение RnRJ было как

можно меньше.

Для его уменьшения последовательно с линией связи включают дополнительное балластное сопротивление Дб, величина которого зна­ чительно превышает активное сопротивление линии. Тогда

Дп = Дп + Дб = Ді + Д2 + Дй/ + Дб-

Относительная погрешность телеизмерения в этом случае определя­ ется выражением:

Следовательно, чем больше т, тем меньше погрешность телеизме­ рения от непостоянства активного сопротивления линии связи.

Определим погрешность системы интенсивности, обусловленную непостоянством утечки в линии связи.

154

Абсолютная погрешность телеизмерения

0Ga

И Л И

А / 2(О0) =

Для нахождения максимального значения относительной погреш­

155

уменьшения влияния G0 на точность телеизмерения в системах интен­ сивности балластное сопротивление R6 нужно включать либо со сто­ роны приемника, либо со стороны передатчика. Последний вариант влючения R6 выгоден тем, что при этом уменьшается нагрузка на пе­ редатчик за счет Токов утечки.

Рассмотрим теперь второй случай для системы интенсивности, ког­ да ток в линии связи пропорционален контролируемой величине, т. е.

Рассмотрим погрешность системы телеизмерения, обусловленную непостоянством G0. Абсолютная погрешность

[Ro- ^ + R^GJ

158

Из последнего выражения видно, что относительная погрешность, обусловленная непостоянством G0, снижается при уменьшении актив­ ного сопротивления линии и входного сопротивления приемника. Мож­ но показать, что для некомпенсациониой системы напряжения, когда Ег — /г1Л1 и а пп = /г2(Л, относительные погрешности телеизмерения будут аналогичны погрешностям, присущим системе Е1 = kyAy и а пп = = ä2/ 2, т. е.

Для компенсационной системы напряжения входное сопротивление приемника очень велико (Д2 -> ®°) и

Относительные погрешности телеизмерения, обусловленные непо­ стоянством активного сопротивления линии связи и утечки, в этом случае соответственно равны:

рения этого типа обладают существенными преимуществами по срав­ нению с другими системами телеизмерения, так как параметры кана­ лов связи не оказывают здесь существенного влияния на передачу со­ общений. Это связано с тем, что искажения, вносимые каналом, сказы­ ваются только на форме импульсов. Не исключена, однако, возмож­ ность искажения передаваемого сигнала за счет различного рода по­ мех, возникающих в канале связи. Для улучшения работы этих систем применяют коды с увеличенной избыточностью, контролируют число принятых импульсов и др.

Число-импульсные системы телеизмерения используются для пере­ дачи как показаний интегрирующих приборов, так и данных, получен­ ных с помощью стрелочных приборов.

Недостатком число-импульсных систем телеизмерения является полное отсутствие защиты от потери и добавления импульсов, что вы­ зывает дополнительную погрешность. Для обеспечения высоких точ­ ностей передачи необходимо увеличивать число импульсов, посылае­ мых в канал связи, а это удлиняет сеанс телеизмерения.

157

Особое место среди телеизмерительных систем занимают кодо-им­ пульсные системы, сложность которых окупается высокой степенью их точности. Преимуществами этих систем являются удобство и объ­ ективность воспроизведения цифровых данных на световых табло и мнемосхемах, а также возможность согласования с цифровыми вы­ числительными машинами и управляющими машинами дискретного действия.

Кодо-импульсные системы обладают высокой помехоустойчивостью и, как следствие этого, большой дальностью действия. Принципиально они могут быть построены с лю­ бой степенью точности телепере­ дачи. Входными величинами кодо-импульсных систем телеиз­ мерения могут быть угол пово­ рота стрелки измерительного прибора или какой-либо другой унифицированный параметр, на­ пример, ток или напряжение.

В последнем случае любая изме­ ряемая величина преобразуется сначала в этот параметр и только после этого подается на вход пе­

редающего устройства. Передатчик обеспечивает квантование и кодиро­ вание входного сигнала. Принцип квантования показан на рис. 6.4, где кривая f (() = X (t) соответствует изменению входного параметра х. Сту­

определяет разрешающую способность преобразователя. Величина nt называется шагом квантования по времени. Точность преобразования аналоговой величины в дискретную зависит от количества ступеней N, выбранных для квантования.

Шаг квантования іі/ = Ах определяется выражением

Преобразователь настраивается таким образом, что переключение его с одного уровня на другой выполняется в точках Ь, с и т. д. Если измеряемый параметр находится в точке а, то абсолютная погрешность преобразования равна нулю, так как аналоговая и дискретная функции полностью совпадают.

При изменении х (/) в сторону максимума появляется погрешность, которая возрастает по мере удаления измеряемого значения отточки а. Эту погрешность будем считать положительной. Максимальное зна­ чение абсолютная положительная погрешность будет иметь тогда, ког­ да точка, определяющая значение измеряемой величины, находится на бесконечно малом удалении от точки Ь. По величине эта погрешность определяется выражением

153

В точке b преобразователь срабатывает и переключает выходное устройство с уровня I на уровень 2. Абсолютная погрешность при этом меняет знак:

Если измеряемый параметр продолжает увеличиваться, прибли­ жаясь к уровню 2, то абсолютная погрешность уменьшается и на уров­ не 2 будет равна нулю. При переходе через уровень 2 погрешность ме-

няет знак на плюс и опять возрастает до значения Ді в точке с, где

снова происходит переключение выходного устройства на следующий

уровень 3 н т. д. Следовательно, абсолютная погрешность преобразо-

Дг вания никогда не принимает значения, превышающего ± —Ö--

Приведенная относительная погрешность преобразования опреде­ ляется выражением

точек измеряемого параметра, принятых при телеизмерении. При пере­ даче, например, 100 точек, погрешность измерения и преобразования составляет 0,5%.

После квантования унифицированного параметра в передающем устройстве кодо-импульсной системы телеизмерения выполняется коди­ рование, состоящее в том, что в линию связи передаются кодовые ком­ бинации, количество которых равно числу уровней квантования, при­ чем каждому уровню квантования соответствует «своя», вполне опре­ деленная кодовая комбинация.

В технике телеизмерения наибольшее распространение получили числовые коды, основанные на любой из известных систем счисления.

где N — число кодовых комбинаций;

т— количество качеств тока, используемых при кодообразовании (основание системы счисления);

и— число импульсов в кодовой комбинации.

Взависимости от значения величины т числовые коды делятся на

двоичные (т — 2), троичные (т = 3), четверичные (т = 4) и т. д. Коды с большим основанием (т >- 3) обладают тем преимуществом, что при малом числе импульсов в кодовой комбинации они имеют боль­ шую комбинационную емкость. Например, при т = 4, и п = 4

159