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

N — 256. Недостатком таких кодов являются трудности, связанные с их технической реализацией, так как обеспечить генерацию и селек­ цию большого числа импульсов различного качества (за исключением частотного) достаточно сложно и неудобно. Простейшим устройством, очевидно, будет такое, в котором реализуется только два качества. Элементами, обеспечивающими селекцию и «память», в этом случае могут быть электромагнитные реле, триггеры, магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса и т. д. Таким способом реализуется обычный двоичный код, который в общем виде можно записать так:

Кроме двоичного метода кодирования, в кодо-импульсных системах телеизмерения используется двоично-десятичный код, в котором при­ меняется поразрядная передача десятичных чисел. Каждый десятич­ ный разряд при этом передается с помощью четырех двоичных разря­ дов. В принципе возможны различные варианты построения такого ко­ да, однако наибольшее распространение получил двоично-десятичный код типа 8 —4—2—1, который состоит из четырех двоичных разрядов:

2 3, 2 2, 2 1, 2 °.

Число 39 в этом коде записывается так:

39 = 30 + 9 = 0 • 23 + 0 • 22 + 1 - 2 4 - 1 • 2° + 1 • 23 +

+ 0 • 22 + 0 • 21 -Ь 1 • 2°.

Передается оно двумя сериями импульсов: ООП и 1001. Двоично­ десятичный код удобно использовать в качестве промежуточного при переходе от двоичного кода к десятичному.

Разновидностью двоичного кода, который нашел широкое приме­ нение в технике дискретного телеизмерения, является рефлексный код, или код Грея. Отличительная особенность этого кода состоит в том, что при переходе от одного соседнего числа к другому разница в коде этих чисел будет лишь в одном, минимальном по весу двоичном разря­ де. В обычном двоичном коде при переходе от одного числа к другому очень часто изменяются сразу несколько двоичных разрядов. Цифра 7, например, в двоичном коде выглядит как 0 1 1 1 и отличается от со­ седней цифры 8 , записываемой как 1 0 0 0, сразу в четырех двоичных раз­ рядах. Эта особенность обычного двоичного кода является источником больших погрешностей при считывании данных с кодирующих дисков, применяемых для преобразования угла поворота в код. Поэтому на кодирующих дисках обычно наносят рефлексный код или какой-либо другой специальный тип кода.

Циклический код строится следующим образом. Если имеется запись числа в двоичном коде вида

712 = ß!/i—1®п— 2 **.

160

то его изображение в циклическом коде будет

где я и а — значения разрядов двоичного и циклического кодов со­ ответственно, причем а г = at а(+і.

Практически для получения рефлексного кода достаточно сдвинуть двоичный код на единицу вправо и сложить его с несдвинутым, без пере­ носа единиц из разряда в разряд и без учета младшего разряда сдвинуто­ го кода. Цифра 8 , например, в двоичном коде выглядит как 1000, а запись ее в циклическом коде получается следующим образом:

Кроме числовых кодов, в системах дискретного телеизмерения ис­ пользуются комбинаторные коды, построенные по законам теории со­ единений. К этим кодам относятся, например, сменнопосылочный и частотно-десятичный коды, число кодовых комбинаций для которых соответственно равно

(6.49)

(6.50)

В частотно-десятичном коде обычно пч = 5 и тч = 2, а количест­ во двухчастотных посылок пв определяется числом десятичных раз­ рядов, которые необходимо передавать.

Отличительная особенность кодов, используемых при телеизмере­ нии,— наличие постоянного количества импульсов в кодовой серии или постоянного числа частот, посылаемых одновременно. Коды такого типа называются комплектными. Достоинством их является возмож­ ность контроля правильного приема сообщений по числу импульсов в кодовой серии, которое остается постоянным и не зависит от значения измеряемого параметра.

Такой контроль осуществляется с помощью несложных устройств числовой защиты, которые выдают сигнал о правильном приеме сообще­ ний после проверки числа принятых импульсов или частот кода.

Если подсчитанное количество импульсов отличается от принятого для данного кода (что может произойти в результате подавления не­ скольких импульсов помехой) или, наоборот, будут приняты лишние импульсы, то числовая защита выдаст сигнал отказа. Искажения, свя­ занные с переходом одного качества тока в другое (при неизменном чис­ ле импульсов в коде), числовой защитой не обнаруживаются.

Простые числовые коды используются в тех случаях, когда уро­ вень помех в канале связи невелик или когда требование к надежности передачи сообщений невысокое. Это объясняется тем, что эти коды об­ ладают сравнительно низкой помехоустойчивостью, связанной с от­ личием кодов один от другого всего лишь в одном элементе. Цифра 7, например, в двоичном коде выглядит как 0111, а число 15 — как 1111.

Если при передаче цифры 7 произойдет переход 0 высшего двоичного разряда в 1, то код будет принят и зафиксирован как число 15.

Повышение помехоустойчивости передачи может быть достигнуто путем построения системы кодов, в которой кодовые комбинации от­ личаются между собой двумя или более элементами. В этом случае искажение, например, в одном элементе приведет к тому, что будет образован новый код, который не используется для передачи.

Коды повышенной помехоустойчивости могут быть построены, исхо­ дя из двух условий защиты: а) искаженный код не может быть принят; б) искаженный код должен быть скорректирован и принят как правиль­ ный. Коды первого вида называются кодами с обнаружением искажений, а коды второго вида — кодами с коррекцией искажений.

Простейшим кодом, обладающим повышенной помехоустойчивостью, является двоичный код (N = 2/і)с проверкой кодовой комбинации на четность. Для обнаружения единичных искажений все его кодовые комбинации строятся таким образом, чтобы количество единиц всегда было четным. Это достигается путем добавления в код одного элемен­ та, который может быть нулем или единицей. Например, при передаче

+ 0). Следовательно, любая кодовая комбинация имеет только четное число единиц, а переход 1 в 0 или 0 в 1 приводит к образованию нечет­ ного кода, который не воспринимается приемником. При увеличении числа элементов в коде появляется избыточность. Заметим, что в этом коде каждая кодовая комбинация отличается от любой другой как ми­ нимум двумя элементами.

Разновидностью кодов с повышенной помехоустойчивостью явля­ ется код с удвоением элементов, построенный на базе двоичного кода. Каждый элемент такого кода передается двумя разрядами: к 1 всегда добавляется 0, а кОдобавляется 1. Число 1011, например, в этом коде выглядит как 10011010. Единичная ошибка в коде обнаруживается при появлении в одной паре одинаковых символов: 0 0 или 1 1.

Простейший код с коррекцией искажений может быть образован на базе двоичного кода путем выбора только таких комбинаций, кото­ рые отличаются между собой хотя бы тремя элементами. В этом слу­ чае любое двойное искажение кода не приведет к ложному приему, так как полученный при этом код будет отличаться хотя бы одним эле­ ментом от всех остальных кодов, используемых для передачи. При еди­ ничном искажении переданного кода образуется новый код, отличаю­ щийся от остальных двумя элементами и только одним элементом от кода, из которого он образовался, т. е. код, полученный в результате единичного искажения, максимально похож на переданный. Примером такого кода являются следующие комбинации: 0 1 0 0 1, 0 1 1 1 0, 1 0 0 1 0 и 1 0 1 0 1, которые отличаются между собой как минимум тремя элемен­ тами.

Если при передаче серии импульсов 10101 будет принят код 1 0 1 0 0, то можно заметить, что эта кодовая комбинация отличается от переданной одним элементом, от кода 1 0 0 1 0 — двумя элементами, от

162

кода 0 1 1 1 0 — тремя элементами и от кода 0 1 0 0 1 — четырьмя элемен­ тами, т. е. полученный в результате искажения код ближе всего напо­ минает код 1 0 1 0 1 — комбинацию, из которой он образован.

Это свойство кодов с коррекцией искажений используется для со­ ставления таблицы так называемых «кодов-спутников». «Коды-спут­ ники» представляют собой группу кодов, отличающихся от основного лишь одним элементом. «Кодами-спутниками» для комбинации 01001,

например, будут: 0 1 0 0 0, 0 1 0 1 1, 0 1 1 0 1, 0 0 0 0 1, 1 1 0 0 1, т. е. их количе­ ство равно здесь числу элементов основного кода.

Общее количество «кодов-спутников» можно определить по формуле

где N — общее число основных кодов;

п — число элементов в кодовой комбинации.

Для приведенного выше кода п = 5, N = 4 и Nc — 20. Общее чис­ ло кодов N + Мс = 24. Таким образом, для передачи всего лишь че­ тырех сообщений кодом, исправляющим единичные искажения, не­ обходимо иметь кодер на 24 кода, что ограничивает возможность тех­ нической реализации такой системы телеизмерения.

Частотные и частотно-импульсные системы. Частотные системы телеизмерения получили наибольшее распространение благодаря срав­ нительной простоте и высокой помехоустойчивости. Работа частотных систем основана на передаче в канал связи сигнала синусоидальной формы, частота которого пропорциональна контролируемому парамет­ ру. В связи с тем, что частота каналом не искажается, такие системы могут работать практически на любые расстояния. На приемном пунк­ те сигнал измеряется частотомером.

Частотные системы телеизмерения в зависимости от диапазона ис­

3000 гц). При работе с проводными линиями связи диапазон рабочих частот систем ограничен, так как с ростом частоты затухание в линии увеличивается.

Для характеристики частотных систем вводится несколько парамет­ ров. К ним относятся: минимальная и максимальная частота, переда­ ваемая в канал связи (ДШ11 и Д,ак0); ширина полосы, занимаемой в ли­ нии (А/ = /MaKC — Дшв); коэффициент, характеризующий кратность

частот, передаваемых в канал (Я

Взависимости от величины Я частотные системы делятся на системы

смалым значением Я (порядка 1,1) и системы с большим значением X (от 1,5 до 10). От коэффициента X существенно зависят погрешность си­ стемы телеизмерения и полоса частот, занимаемая в канале. На рис.

6.5. изображена графическая зависимость между показаниями прием­ ного прибора и частотой в канале связи.

При поступлении в канал связи сигнала с частотой /МГш стрелка приемного прибора устанавливается на нулевой отметке, а при подаче сигнала с частотой Д,ак0 приемный прибор показывает максимальное значение контролируемой величины. Допустим, что в результате неста-

бильности передатчика частота ушла от значения fMaKCдо изменив­ шись на величину А/'. При этом приемный прибор будет показывать значение а ', отличающееся на величину Да от действительного значе­ ния контролируемой величины а.макс • Величину относительной погреш-

ности телеизмерения за счет нестабильности передатчика определим из подобия треугольников abc и /шш b /макс рис. 6.5:

Разделив и умножив правую часть соотношения (6.52) на величину

X =■ ^/ммако

получим

fu

Да А/' ДГ

(6,53)

К,

Отсюда видно, что относительная погрешность телеизмерения системы

А/'

пропорциональна величине —г1— , называемой относительной неста-

* м ак с

бильностыо передатчика, и является функцией величины X. Если обозначить

Я,

Я — 1 ' гк’

На рис. 6 . 6 изображена зависимость, характеризующая изменение коэффициента к?, как функции от выбранной величины кратности ча­ стот в канале связи X. При значениях X, близких к единице, коэффици­ ент к?, стремится к бесконечности и относительная погрешность теле­ измерения будет очень велика. Малые значения X приводят к возраста­ нию погрешности телеизмерения.

164

С увеличением X коэффициент k% уменьшается и погрешность теле­ измерения падает. Следует заметить, однако, что при этом увеличива­ ется полоса частот АД занимаемая каналом связи, а это в некоторых случаях нежелательно. Выбор коэффициента X оказывает существен­ ное влияние на требование к стабильности частотного преобразовате­ ля, устанавливаемого на измеряемом объекте. Так, при заданной по­ грешности телеизмерения и больших значениях X, требование к ста­ бильности будет меньше, чем при малых X.

При построении частотных систем телеизмерения обычно стремятся

вающих высокую стабильность частотных преобразователей в пере­ датчике.

Частотно-импульсные системы телеизмерения по принципу работы не отличаются от частотных, за исключением того, что контролируемая величина отображается в них частотой импульсов постоянного тока. Все многообразие частотно-импульсных систем можно разделить на две группы. К первой относятся системы, у которых измеряемый параметр преобразуется сначала в скорость вращения, а затем в частоту импуль­ сов. К системам такого типа относятся, например, системы телеизмере­ ния расхода электроэнергии. Ко второй группе относятся системы, у которых контролируемый параметр преобразуется в ток или в напря­ жение, используемые затем для управления частотой импульсных ге­ нераторов. Сигнал, поступающий на приемный пункт, как и в частот­ ных системах, измеряется частотомером.

Время-импульсные и фазоимпульсные системы. Эта группа телеиз­ мерительных систем относится к аналоговым системам, у которых кон­ тролируемый параметр преобразуется либо в длительность импульсов, либо в длительность пауз, либо во временной интервал между маркер­ ным и информационным импульсами. По принципу работы все эти си­ стемы похожи одна на другую и отличаются между собой лишь кон­ структивными решениями.

По длительности импульсов, используемых для передачи данных,

риодные системы применяются для телеизмерения параметров, мед­ ленно изменяющих свое значение. Благодаря достаточно высокой по­ мехоустойчивости временные системы находят применение в радиоте­ леметрии.

При передаче данных по проводным линиям связи на точность ра­ боты временных систем оказывают влияние изменения характеристик каналов. На рис. 6.7 показаны два варианта импульсов, используемых при передаче данных телеизмерения. На рис. 6.7, а импульс имеет длительность ta, а на рис. 6.7, б длительность импульса в п раз боль­ ше. Токи /ср и /от„ являются токами срабатывания и отпускания се­ лектора импульсов, устанавливаемого на приемном пункте.

При прохождении прямоугольного импульса по линии связи про­ исходит искажение переднего и заднего фронтов импульса (на рис. 6.7 искаженные импульсы обозначены пунктиром), причем реальная

165

длительность, зафиксированная селектором, будет отличаться от пере­ данной. Даже если предположить, что это искажение однаково и состав­ ляет величину Аt для обоих вариантов импульсов, то оказывается, что относительное изменение длительности короткого импульса бх в п раз

а — короткий; б — длинный.

больше, чем относительное изменение более длинного импульса б2. Действительно:

т. е. 6 j = б2п. В реальных условиях, при одинаковой полосе пропуска­ ния канала, искажение импульса во втором случае будет меньше, так как спектр частот, который необходимо пропустить для восстановле­ ния прямоугольного импульса, тем меньше, чем больше длительность импульса. Погрешность от непостоянства характеристик канала связи существенно уменьшается в фазо-импульсных системах, где измеряет­ ся время между двумя кратковременными импульсами.

6.5. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К СИСТЕМАМ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ

При разработке систем телеизмерения нужно учитывать ряд спе­ цифических требований, к которым относятся следующие:

1.Системы телеизмерения должны функционировать с высокой на­ дежностью, определяемой временем, в течение которого система мо­ жет работать, не ухудшая класс точности.

2.При проектировании следует учитывать время успокоения при­ емного прибора. Оно всегда должно быть меньше скорости, с которой изменяется параметр.

3.Система телеизмерения должна быть построена так, чтобы она обеспечивала контроль нулевых значений. Это означает, что при нуле­ вом значении контролируемой величины в линию связи всегда должны

передаваться сигналы, соответствующие этому значению. Указанное требование позволяет контролировать канал связи и всю телеизмери­ тельную аппаратуру на всех режимах работы системы.

4. Питание всех преобразователей, входящих в полукомплект ап­ паратуры, должно осуществляться от общей сети, так как в этом слу­

166

чае исключается влияние фазовых сдвигов, которые могут привести

кпоявлению дополнительных погрешностей.

5.При построении приемного и передающего полукомплектов ап­ паратуры необходимо соблюдать правило вентильности, суть которого заключается в том, что при подключении к выходу преобразователя какого-либо элемента или другого преобразователя характеристика вход-выход первого должна оставаться неизменной.

6. Система телеизмерения должна обладать высокой помехоустой­ чивостью, которая может быть обеспечена за счет увеличения энергии сигнала или за счет специальных методов кодирования.

7.В связи с тем, что элементы, входящие в аппаратуру, могут со временем изменять свои параметры или выходить из строя, необходи­ мо, чтобы при их замене не требовалось дополнительных регулировок и настроек системы.

В ряде случаев к системам телеизмерения предъявляются дополни­ тельные требования, как-то: возможность многократного использова­ ния каналов связи и возможность суммирования показаний на пере­ дающей и приемной стороне и др.

6.6.СУММИРОВАНИЕ ПОКАЗАНИЙ ПРИ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИИ

Внекоторых случаях, например, при телемеханизации энергоси­ стем, возникает потребность в передаче данных, характеризующих ра­ боту электростанций. В связи с тем, что диспетчеру часто не требуется знать данные о работе отдельных энергоблоков, приходится переда­ вать сообщения о работе всей станции в целом. Для этого необходимо предварительно просуммировать показания всех энергоблоков, а за­ тем передавать полученный результат на пункт управления. Аналогич­ ная задача возникает в тех случаях, когда требуется получить данные

оработе всей энергосистемы в целом. Для этого необходимо просум­ мировать показания отдельных приборов на приемной стороне.

Практически задача суммирования решается посредством преобра­

зования контролируемого параметра во вспомогательную величину, с которой легко выполнить операцию суммирования. Предположим, что имеется п контролируемых параметров Alt Аг, ..., Ап, преобразуе­ мых во вспомогательные величины

167

Коэффициент к обычно называют постоянной суммирования. В ка­ честве вспомогательной величины, используемой при суммировании, могут быть самые разнообразные электрические и неэлектрические ве­ личины. Так, суммирование токов, используется, например, при теле­ измерении суммарного тока нескольких линий, мощности нескольких генераторов и т. д. Для получения суммарного значения мощностей можно использовать также суммирование вращающих моментов, уста­ новив на одной оси несколько подвижных систем счетчиков.

На приемной стороне в качестве вспомогательной величины, исполь­ зуемой при суммировании, часто берут как переменное, так и постоян­ ное напряжение, которое можно получить с помощью трансформатор­ ных преобразователей (см. гл. 7). При использовании число-импульс­ ных или частотно-импульсных систем телеизмерения применяется метод суммирования импульсов.

Г л а в а 7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ

7.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ

Преобразователи являются важнейшим элементом телеизмеритель­ ных систем и осуществляют представление в той или иной форме раз­ личных видов информации, ее преобразование, передачу и т. д.

Под преобразователями понимаются устройства, с помощью кото­ рых реализуется однозначная функция

где X — входная величина, являющаяся независимой переменной; у — выходная величина.

168

Уравнение (7.1) называется функцией преобразования. Она задает­ ся аналитически или графически и может быть определена теорети­ чески или экспериментально.

Взависимости от вида этой функции всетипы преобразователей мож­ но разделить на две группы. К первой относятся преобразователи с ли­ нейной зависимостью между входной и выходной величинами, ко вто­ рой — преобразователи с нелинейной зависимостью между указан­ ными величинами. Преобразователи последнего вида носят название функциональных.

По способу представления входного и выходного параметра преоб­ разователи удобно разделить на аналоговые и аналого-цифровые. Ана­ логовыми называются преобразователи, у которых входной и выходной параметры представляются в виде непрерывных величин.

Аналого-цифровыми (цифро-аналоговыми) называются преобразо­ ватели, у которых выходной или входной параметры представляются

ввиде цифровых кодов, реализуемых с помощью комбинаций различ­ ных уровней напряжений, комбинаций импульсов или комбинаций входных или выходных шин кодеров, декодеров и т. д.

Вгруппе аналоговых преобразователей можно выделить модуля­

ционные преобразователи, к которым относятся устройства, предна­ значенные для преобразования спектра колебаний (модуляторы и де­ модуляторы).

По виду входного параметра преобразователи можнр разделить на преобразователи неэлектрических величин (угла поворота, скорости, давления, температуры и т. д.) в электрические и преобразователи одной электрической величины в другую.

По принципу работы преобразователи делятся на параметрические И генераторные. У параметрических преобразователей входная вели­ чина изменяет один из электрических параметров цепи: емкость, со­ противление, индуктивность и т. д. У таких преобразователей энергия на входе создается за счет вспомогательного источника питания. При­ мером параметрического преобразователя является потенциометриче­ ский датчик. К генераторным преобразователям относятся устройства для преобразования входной электрической или неэлектрической ве­ личины в э. д. с. на выходе. Источник питания для таких преобразо­ вателей не требуется, так как энергия у них создается за счет входной величины. Характерным примером генераторного преобразователя яв­ ляется термопара.

Любую систему телеизмерения можно представить как совокуп­ ность преобразователей, включенных последовательно или парал­ лельно. В простейшем случае между собой могут быть соединены два преобразователя. Если функции преобразования каждого из них пред­ ставить в виде

р = ф і М ;У = Ц>г{Р),

то зависимость выходного параметра у от х можно записать так:

Поскольку оба преобразователя являются устройствами неидеаль­ ными и обладают погрешностями, то в худшём случае можно предпо-

169