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

При подключении преобразователя к контролируемой сети с на­ пряжением U (рис. 7.6) через квадратор Квх протекает ток, мгновен­ ное значение которого

т. е. ток 1г равен сумме двух токов: один из них пропорционален на* пряжению 0, второй — току / в контролируемой сети. -J Через квадратор Кв2 протекает ток, мгновенное значащіе которо­

го определяется выражением

Напряжения, снимаемые с выход­ ных зажимов квадраторов, пропорцио­ нальны квадрату силы тока, т. е.

Подставив соответствующие значе­ ния токов, получим

Так как выходные цепи квадраторов включены встречно, то напря­ жение на выходе преобразователя равно

т. е. пропорционально мощности Р в измеряемой цепи. Преобразователь Роера. Этот преобразователь применяется для

преобразования постоянного напряжения или тока в пропорциональ­

транзистор Тх отпирается еще больше, а транзистор Т2, наоборот, запирается. Ток в коллекторной цепи 7\ возрастает до полного отпира­ ния транзистора. Сердечник при этом перемагничивается из одного ус­ тойчивого состояния намагниченности в другое, а э. д. с., наводимые

180

в обмотках wLи к»і, уменьшаются, что приводит к снижению тбка, удер­ живающего транзистор Тх в открытом состоянии. Коллекторный ток падает, а в базовых обмотках трансформатора наводятся э. д. с. противоположного знака.

В результате транзистор Тх запирается, а транзистор Т2 отпирает­ ся до полного насыщения. Процесс повторяется периодически, и в выходную обмотку трансформатора w3 поступают импульсы, частота которых при постоянных параметрах схемы зависит только от величи­ ны контролируемого напряжения t/BX. Время перемагничивания сер-

где+Ф т и —Фт— максимальное зна- Рис. 7.8. Схема преобразователя

Отсюда частота импульсов, снимаемых с выходной обмотки транс­

На работе схемы можеКсказываться непостоянство параметров сер­ дечника, которые изменяются при колебаниях температуры окружаю­ щей среды.

Преобразователь тока в частоту. Основным элементом этого пре­ образователя является переменная индуктивность, управляемая пу­ тем подмагничивания сердечника постоянным током Іу, пропорцио­ нальным величине измеряемого параметра. Такую индуктивность ча­ сто называют дросселем насыщения. Рабочая обмотка дросселя wp включена в схему генератора, собираемого обычно на транзисторах (рис. 7.8). Частота синусоидальных колебаний на выходе генератора зависит от индуктивности обмотки Wp и определяется по формуле

(7.57)

2п/(АрН-LX)C ’

где Lp — индуктивность рабочей обмотки дросселя насыщения;

7-х — индуктивность первичной обмотки выходного трансформато­ ра Тр.

181

Индуктивность рабочей обмотки wp равна

где Sc, /с, и — площадь сечения, средняя длина магнитопровода и ди­ намическая магнитная проницаемость сердечника дросселя насыще­ ния.

При поступлении в подмагничивающую обмотку wn тока 1Ѵв сер­ дечнике дросселя возникает постоянный магнитный поток, который

Рис. 7.9. Схема преобразователя напряжения во временной интервал.

накладывается на переменную составляющую магнитного потока, соз­ даваемого обмоткой Wp. С увеличением тока управления и за счет не­ линейности характеристики намагничивания насыщение сердечника увеличивается, что приводит к уменьшению его магнитной проницае­ мости [Xи, соответственно, к уменьшению индуктивности обмотки wp. Таким образом, с помощью тока, пропорционального измеряемому параметру, можно управлять величиной индуктивности обмотки wp, являющейся частью контура генератора, а следовательно, и частотой / на выхое гендератора.

Преобразователи напряжения во временной интервал. Преобразо­ ватель, схема которого изображена на рис. 7.9, представляет собой широтно-импульсный или время-импульсный модулятор, состоящий из блокинг-генератора, работающего в заторможенном режиме, зарядной цепи RC, ключа на транзисторе Tj и статического триггера Тг. Преоб­ разуемое напряжение Uак подается на вход схемы таким образом, что­ бы в исходном состоянии диод Д1( включенный в цепь обратной связи блокинг-генератора, был заперт. При этом обеспечивается режим ста­ тического равновесия генератора. Триггер Тг находится в таком поло­ жении, что транзистор Тх открыт. В этом случае конденсатор С разря­ жен до величины суммарного остаточного напряжения на открытом дио­ де Д2 и транзисторе Тх.

182

При поступлении стартового импульса на триггер Тг транзистор Тх запирается, а конденсатор С начинает заряжаться от источника Ек. Для получения линейной характеристики при заряде используется на­ чальный участок экспоненты. Спустя время т3 конденсатор С заряжа­ ется до значения

После того, как диод Дх отопрется, начинается блокинг-процёсс. Первый положительный импульс генератора поступает на триггер, опрокидывает его; при этом диод Дх запирается и блокинг-генератор

от 1 мсек до 2,5 сек.

Широтно-импульсный преобразователь может быть построен на схеме фантастрона, или ждущего мультивибратора. Пример построе­ ния такой схемы на заторможенном мультивибраторе показан на рис. 7.10. В исходном состоянии транзистор Т2 открыт за счет отри­ цательного потенциала, поступающего на его базу через резистор R. Транзистор Тх заперт отрицательным смещением, создаваемым коллек­ торным током открытого транзистора Т2 на эмиттерном резисторе R3. Конденсатор С заряжен до напряжения, равного потенциалу, прило­ женному к закрытому транзистору Тх.

При поступлении стартового импульса отрицательной полярности в коллекторную цепь транзистора Тх мультивибратор опрокидывает­ ся, т. е. транзистор Т2 запирается, а Тх отпирается. Конденсатор С разряжается через резистор R, источник питания и открытый транзи­ стор Т[. Транзистор Т2 при этом удерживается в запертом состоянии за счет положительного потенциала, создаваемого током разряда на резисторе R. Длительность разряда конденсатора, а следовательно, время существования импульса на выходе мультивибратора определя­ ется величиной внутреннего сопротивления открытого транзистора Тх, которое зависит от значения постоянного напряжения £/вх, приложен­ ного к базе транзистора Тх. В момент времени, когда положительный потенциал на базе транзистора Т2 сравняется со значением напряжения отсечки, последний откроется и схема вернется в исходное состояние, которое будет сохраняться до прихода следующего стартового им­ пульса.

183

Преобразователь длительности импульсов в среднее значение по­ стоянного тока. Этот преобразователь может применяться в качестве приемника в системах телеизмерения с широтно-импульсной или вре- мя-имлульсной модуляцией. Принцип его работы, поясняется схемой, показанной на рис. 7.11, а. Обмотка реле Р подключена к линии связи, из которой поступают импульсы с длительностью, пропорциональной величине контролируемого параметра. Нормально разомкнутый кон­ такт реле, включенный в цепь питания миллиамперметра тА, периоди­ чески замыкается. Среднее значение тока, протекающего через прибор,

где Un— напряжение источника питания, /?ШІ — внутреннее сопротивление прибора.

Описанная схема имеет существенный недостаток, связанный с по­ явлением дополнительной погрешности при колебаниях Un. Из-за инерционности реле ограничена также частота переключений. К недо­ статкам схемы следует отнести и наличие большого тока, проходяще­ го через прибор при нулевом значении контролируемого параметра, снижающего точность отсчета показаний из-за неполного использова­ ния шкалы приемного прибора. Последнее объясняется тем, что точка нулевого значения контролируемого параметра смещается по шкале на величину среднего значения тока, соответствующего этому значе­ нию.

Упрощенная схема преобразователя, изображенная на рис. 7.11, б, лишена указанных недостатков. Она представляет собой мост, в од­ ном плече которого имеется транзистор, а в трех остальных плечах Еключены резисторы. С помощью потенциометра R устанавливается начальная точка отсчета, соответствующая нулевому значению кон­ тролируемой величины.

Преобразователи частоты (частотомеры). Одной из схем преобразо­ вателя, широко используемого в частотных и частотно-импульсных си­ стемах телеизмерения, является схема конденсаторного частотомера, которая обеспечивает преобразование сигнала, поступающего из кана­ ла связи, в среднее значение тока или напряжения. Такой преобразо­ ватель (частотомер) является фактически приемником частотных сиг­ налов телеизмерения.

Принцип работы конденсаторного частотомера состоит в периоди­ ческом заряде или разряде конденсатора через обмотку миллиампер­ метра и поясняется простейшей схемой, показанной на рис. 7.12, а. На вход электромагнитного реле Р из канала связи поступает сигнал

184

в виде импульсов или синусоидального напряжения, частота которо­ го пропорциональна величине контролируемого параметра. Предпо­ ложим, что во время поступления импульса или отрицательной по­ луволны синусоидального напряжения подвижный контакт реле Р находится в нижнем положении. Тогда конденсатор С2 разряжается через резистор R2, а конденсатор Сх начнет заряжаться от источника питания Un через миллиамперметр тА и резистор R2. Во время паузы или при поступлении положительного полупериода синусоидального напряжения конденсатор С1 закорачивается на резистор

Rlt а конденсатор С2, который разрядился на предыдущем полупериоде, заряжается от источника питания через мил­ лиамперметр и резистор Rv

Как при заряде конденса­ тора Си так и при заряде кон­ денсатора С2 импульсы тока через миллиамперметр прохо­ дят в одном направлении, и среднее значение тока регист­ рируемое миллиамперметром, равно

Из графиков рис. 7.12, б видно, что время заряда и разряда конден­ саторов должно быть всегда меньше, чем длительность половины пе­ риода Т поступающего сигнала, иначе конденсатор не будет успевать полностью перезаряжаться, т. е.

185

как и на первом, и на втором полупериодах сигнала через миллиам­

торы.

Пример построения двухтактной несимметричной схемы преобразо­ вателя показан на рис. 7.13, а. При отрицательном полупериоде на­

пряжения, поступающего на базу транзистора Т, последний отпирает­ ся, потенциал на его коллекторе падает и конденсатор С разряжается через транзистор, диоды и миллиамперметр. При положительном полупериоде входного напряжения транзистор запирается, потенциал на его коллекторе возрастает до значения напряжения источника питания Ек, а конденсатор С заряжается через резистор R, вентили, миллиам­ перметр. Токи заряда и разряда протекают через миллиамперметр в

одном направлении.

На рис. 7.13, б изображена схема двухтактного симметричного кон­ денсаторного частотомера, в которой транзистор Т1 выполняет роль усилительного каскада, а транзисторы Т2 и Т3 являются электронны­ ми ключами. Вторичные обмотки трансформатора Тр включены таким образом, что всегда один из ключей заперт, а второй открыт. Предпо­ ложим, что на определенном полупериоде напряжения входного сиг­ нала заперт транзистор Т3. В этом случае конденсатор Сь заряжается через открытый транзистор Т2 и миллиамперметр, а конденсатор С, разряжается через транзистор Т2. При смене полупериодов транзистор Т3 отпирается, транзистор Т2 запирается и конденсатор С4 заряжа­ ется через транзистор Т3 и миллиамперметр.

Для компенсации нулевого тока миллиамперметр включен в диа­ гональ моста, плечами которого являются транзисторы Т2 и Т3, со­ единенные последовательно, резистор Д4 и резисторы R3, R0, Rt-

Особенностью работы таких конденсаторных частотомеров явля­

186

ется зависимость внутреннего сопротивления открытого транзистора от величины управляющего сигнала на базе его:

Поэтому постоянная времени заряда и разряда конденсатора явля­ ется функцией входного сигнала:

Непостоянство т приводит к появлению дополнительной погрешно­ сти частотомера. На рис. 7.13, в показана кривая, характеризующая изменение тока на выходе частотомера в зависимости от величины вход­ ного сигнала UBX. Рабочая зона

выбирается справа от точки, соот­ ветствующей напряжению Uвх. МШІ, так как при Um > Um. шш коле­ бания входного сигнала уже не сказываются на величине выход­ ного тока.

Для того чтобы исключить влияние непостоянства амплиту­ ды сигнала на точность работы преобразователя, ко входу час­ тотомера подключают устройст­

ва, обеспечивающие стабилизацию амплитуды. Такими устройствами могут быть усилители — ограничители, триггеры и т. д.

На рис. 7.14 изображена схема частотомера с трансформатором насы­ щения, сигнал на вход которого подается через усилитель У. Трансфор­ матор выполняется на материале с прямоугольной петлей гистерезиса

где w2 — число витков обмотки;

5 С— сечение сердечника трансформатора; Вт — максимальное значение индукции;

f — частота сигнала.

Величину тока в цепи обмотки w2 можно определить по формуле:

где kn — коэффициент выпрямления.

Так как для материала с прямоугольной петлей гистерезиса можно считать Вт = const, и остальные величины, входящие в формулу (7.68), также постоянны, то

т. е. ток в цепи обмотки w2 пропорционален частоте сигнала.

187

Для компенсации нулевого тока обмотку w3 нагружают индуктив­ ностью L. Величину тока в цепи обмотки w3 можно определить по формуле:

где w3 — число витков обмотки.

Из последнего выражения видно, что ток в цепи обмотки w3 не за­ висит от частоты сигнала, поступающего на вход частотомера.

Рис. 7.15. Схема резонансного частотомера (а), его амплитудно-частот­ ная характеристика (б) и схема частотомера с импульсным мостовым элементом (в).

При соответствующем выборе числа витков обмоток w2, w3и их встреч­ ном включении ток, протекающий через миллиамперметр будет равен

соответствующей нулевому значению контролируемого параметра,

так что / вых == 0 .

С увеличением частоты ток / 2Ср увеличивается, а ток / Зср остает­ ся неизменным.

В системах телеизмерения, кроме рассмотренных, применяются и другие виды частотных преобразователей. Схема одного из них изобра­ жена на рис. 7.15, а.

Отличительной особенностью этого преобразователя является то,

разные стороны от средней частоты сигнала /ср. Каждый из контуров нагружен амплитудным детектором, выполненным на диодах Дь Д2

188

и Дз, Д4. Напряжения, снимаемые с детекторов, выделяются на рези­ сторах R3 и К4. Выходное напряжение UBblx равно разности сигналов, поступающих с верхнего и нижнего контуров. В случае, когда на вход частотомера подается сигнал, частота которого расположена точно посередине между резонансными частотами колебательных контуров, напряжения, снимаемые с резисторов Д3 и К4, будут одинаковы, так что выходной сигнал равен нулю.

При изменении частоты в любую сторону, напряжение на одном из контуров увеличивается, а на другом падает (рис. 7.15, б). Для полу­ чения линейной характеристики преобразователя необходимо, чтобы средняя частота сигнала отстояла от резонансной частоты контура /рез на величину

где Qskb — эквивалентная добротность контура с учетом сопротивле­ ния нагрузки. j На рис. 7.15, в изображена схема частотомера с импульсным мосто­

вым элементом, которая обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с широко используемым конденсаторным частотомером. К ним относятся: возможность независимой регулировки амплитуды и дли­ тельности импульсов, значительно большая величина среднего тока, меньшие по величине емкости для того же диапазона рабочих частот. Схема состоит из усилителя-ограничителя, выполненного на транзисто­ ре Тх и кипп-реле, основным узлом которого является мостовой эле­ мент.

В исходном состоянии транзистор Тг и транзистор Т2 кипп-реле от­ крыты, а транзистор Т3 закрыт. При поступлении на вход усилителяограничителя положительного полупериода измеряемого напряжения, транзистор Тх запирается и на транзистор Т3 кипп-реле после дифферен­ цирования цепочкой Сд, Дд подается отрицательный импульс, отпи­ рающий этот транзистор. Потенциал на его коллекторе падает, тран­ зистор Т2 запирается и на вход мостового элемента поступает отрица­ тельное напряжение. Конденсатор Сх начинает заряжаться, удерживая зарядным током транзистор Т3 в открытом состоянии. Падение напря­ жения на резисторе Д2 в первый момент будет максимальным (в точке b будет большой отрицательный потенциал, запирающий диод Д2). По мере заряда конденсатора С2 этот потенциал падает и в момент вре­ мени, когда напряжение заряда конденсатора Сх станет равным паде­ нию напряжения на резисторе Д2, диод Д2 откроется и зарядный ток через конденсатор Сх прекратится. В это время транзистор Т3 запира­ ется и вся схема возвращается в исходное состояние.

Длительность импульса, снимаемого на выходе схемы, определя­ ется лишь параметрами мостового элемента, а частота следования — частотой поступающего на вход сигнала. Для более жесткой стабили­ зации выходных импульсов в цепь коллектора транзистора Т3 включен стабилитрон Дз. Выходной ток такого частотомера лежит в пределах 0 —3 ма. Диапазон рабочих частот от 0 до 1 0 0 0 гц.

189