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

7.4. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ АНАЛОГОВЫХ ВЕЛИЧИН В ДИСКРЕТНЫЕ

Процесс преобразования аналоговых величин в дискретные в си­ стемах телеизмерения состоит из двух этапов: квантования и кодиро­ вания. В общей схеме преобразователя зачастую трудно выделить от­ дельные элементы, с помощью которых выполняются эти этапы.

Все многообразие таких преобразователей по принципу их работы удобно разделить на три группы: 1) преобразователи последователь­ ного счета; 2) преобразователи поразрядного взвешивания; 3) преобра­ зователи считывания.

Преобразователи последовательного счета в свою очередь делятся на две группы — на циклические и накопительные преобразователи. Первые периодически подключаются к контролируемому объекту и вы­ полняются как с промежуточным преобразованием измеряемогопараметра во временной интервал, частоту и прочее, так и без промежуточного преобразования. Вторые постоянно подключены к контролируемому объекту и при каждом последующем измерении используется результат предыдущего.

Преобразователи поразрядного взвешивания по принципу своей работы являются циклическими. Количество двоичных разрядов для преобразователя такого типа определяется выражением

где UBX— входной (контролируемый) сигнал.

Преобразователи считывания применяются для преобразования уг­ ловых или линейных перемещений в дискретную величину и содер­ жат определенный набор кодовых комбинаций, заранее нанесенный тем или иным способом на барабанах, дисках и т. п. В таких преобразова­ телях выбор соответствующей кодовой комбинации, наиболее близкой ко входной аналоговой величине, обеспечивается с точностью до едини­ цы младшего разряда.

Один из способов, положенный в основу работы преобразователей последовательного счета, состоит в подсчете количества импульсов или периодов переменного тока N за определенный промежуток времени t:

тока.

Преобразователь такого типа может быть построен по двум основ­ ным принципам:

1) / = const, t — кИ , где kt — коэффициент пропорциональности; А — измеряемая величина.

2) t = const, f = к2А, где k2 — коэффициент пропорционально­ сти.

На рис.. 7.16, а изображена структурная схема, а на рис. 7.16, б — диаграмма работы преобразователя напряжения в код, использующего первый принцип. Схема состоит из генератора импульсов ГИ, управ­ ляемого вентиля В, счетчика СЧ, триггера Тг, схемы сравнения СС, генератора пилообразного напряжения ГПИ и блока запуска БЗ.

190

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии вентиль В заперт потенциалом, снимаемым с триггера Тг, так что им­ пульсы с генератора ГИ на вход счетчика СЧ не поступают. В момент запуска системы импульс с БЗ поступает на счетчик СЧ, сбрасывая предыдущую запись. Одновременно импульс подается на генератор пилообразного напряжения ГПИ и на триггер Тг. Последний опрокиды­ вается, отпирая вентиль В, а на вход схемы сравнения подается пило­

Рис. 7.16. Структурная схема (а) н диаграмма работы (б) преобразова­ теля последовательного счета при f = const.

пилообразного напряжения, снимаемого с выхода схемы сравнения СС, на триггер поступает импульс остановки. При этом вентиль В запи­ рается, а счетчик СЧ фиксирует число импульсов N , принятое за вре­ мя t ' , которое пропорционально измеряемому напряжению.

Преимуществом такого способа преобразования напряжения в код является простота схемы, легкость изготовления аппаратуры и доста­ точно высокое быстродействие. Например, при максимальном количе­ стве отсчетных единиц N = 5000 и частоте генератора импульсов ГИ

/г = 0,5 Мгц время отсчета і — - j- = - Q^ = 1 0 мсек.

К недостаткам этой схемы относятся погрешности, обусловленные нестабильностью генератора ГИ и нелинейностью пилообразного на­ пряжения генератора ГПН.

На рис. 7.17, а изображена схема преобразователя непрерывной ве­ личины X (і) в дискретную, работающего по второму принципу. Схема состоит из преобразователя измеряемого параметра в частоту ПИЧ, управляемого вентиля В, счетчика СЧ, блока запуска БЗ и блока вре­ мени БВ.

В исходном состоянии вентиль В заперт напряжением, снимаемым с блока времени БВ. При запуске системы сигнал, поступающий с бло­ ка времени БВ, отпирает вентиль В, через который импульсы с ПИЧ подаются на вход счетчика СЧ. По истечении заданного промежутка времени t вентиль запирается и счет импульсов прекращается. Точность работы схемы определяется в основном точностью работы блока времени.

191

Преобразователь поразрядного взвешивания (рис. 7.17, б) состоит из генератора импульсов ГИ, управляемого вентиля В, двоичного счет­ чика ДС, декодера ДК, нуль-индикатора НИ и блока запуска БЗ.

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии вентиль В заперт, так что импульсы с ГИ на счетчик ДС не поступают. После запуска преобразователя блоком БЗ вентиль отпирается и на вход дво­ ичного счетчика ДС начинают поступать импульсы с любой частотой сле­ дования. Счетчик управляет работой декодера ДК, на выходе которого формируется напряжение 1/я, пропорциональное числу подсчитанных

-Код

Рис. 7.17. Структурные схемы преобразователей:

а — последовательного счета при t — const; б — поразрядного взвешивания.

импульсов. В момент равенства измеряемого напряжения UBX напря­ жению Uд с нуль-индикатора НИ снимается импульс, запирающий вентиль В. Счет импульсов при этом прекращается и с выхода декодера снимается параллельный двоичный код, соответствующий измеряемому напряжению.

Работа преобразователя считывания основана на использовании геометрических конфигураций, отображающих определенный код. Ри­ сунок кода обычно наносится в виде прозрачных и непрозрачных или проводящих и непроводящих участков на поверхности кодовых бара­ банов или дисков.

Наиболее распространенными преобразователями пространствен­ ного кодирования являются преобразователи с фотоэлектрическим или индукционным способами съема данных (рис. 7.18, а, б). Работа фотоэлектрического преобразователя (рис. 7.18, а) основана на том, что между источником света ИС и приемными фотодатчиками ФДі— ФДа, расположенными вдоль радиуса, помещается диск, разделенный концентрическими окружностями согласно числу разрядов принимае­ мого кода. Каждое кольцо диска разделено на прозрачные и непрозрач­ ные участки. При повороте диска на определенный угол а пучок света перекрывается или неперекрывается диском. На выходе приемных фо­ тодатчиков преобразователя образуется код, соответствующий углу по­ ворота диска а.

Виндукционной системе съема данных (рис. 7.18, б) источник света

ифотодатчики заменяются двумя сердечниками с обмотками, один из которых служит датчиком Дт, а второй — приемником Пр. В воздуш­ ном зазоре между сердечниками помещается кодирующий диск, вы­ полняемый из меди, на который в виде сквозных отверстий наносится рисунок кода. Если кодирующий диск занимает положение, при кото­ ром зазор между сердечниками совпадает с отверстием, то при подаче

192

на обмотку датчика импульса или переменного напряжения на обмот­ ке приемника наведется э. д. с. Если между сердечниками находится экран, то магнитный поток датчика теряет энергию на образование то­ ков в диске и не замкнется через сердечник приемника, т. е. э. д. с. в обмотке приемника в этом случае не будет. Для улучшения экрани­ рующего эффекта диск следует изготавливать из материала с малым удельным сопротивлением.

Обмотки датчика и приемника могут быть включены по-другому — путем использования их в генераторе фиксированной частоты. В этом

Рис. 7.18. Схемы преобразователей пространственного кодирования:

а — фотоэлектрического; б — индукционного; в — прямого считывания о рас­ положением обмоток на сердечнике (г) генератора

случае съем данных происходит при срыве или возникновении генера­ ции. Схема одного из таких генераторов изображена на рис. 7.18, в. Она состоит из транзистора Т, контуров wlt w2, w3l емкости С и нагруз­ ки RH.

Обмотка Wi имеет 200 витков, обмотка w2— 80 витков, обмотка w3 — 27 витков провода ПЭВ—0,1. Вторая и третья обмотки являют­ ся контурами обратной связи и включены встречно таким образом, что преобладающей может быть или положительная обратная связь, соз­ даваемая обмоткой w2, или отрицательная обратная связь, создавае­ мая обмоткой ш3. Все обмотки намотаны на ферритовом сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, имеющем вид разрезанного тора (рис. 7.18, г). В зазор сердечника вводится кодирующий диск из мед­ ной фольги, на который наносится рисунок кода в виде прозрачных

инепрозрачных для магнитного поля участков диска.

Вслучае, когда кодирующий диск повернут так, что зазор сердеч­ ника совпадает с прозрачным участком диска, преобладает положитель­ ная обратная связь, так как w2> w 3. Генератор возбужден и с нагрузки

R„ снимается напряжение за счет прохождения постоянной состав­ ляющей тока через RH.

Если в зазор тороидального сердечника попадает непрозрачный участок диска, то связь между основной обмоткой wt и обмоткой поло­

другой и взаимоиндукция между ними практически не зависит от рас­

Для уменьшения ошибки считывания, возникающей на стыке рабо­ чих участков диска, обычно используют код Грея. Погрешность при этом не превышает единицы младшего разряда.

Г л а в а 8. СИСТЕМЫ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ

8.1.СИСТЕМЫ ТЕЛЕИЗМЕРЕНИЯ БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ

Нулевые системы. Наиболее характерным примером нулевой си­ стемы телеизмерения является устройство синхронной передачи зна­ чений углов и угловых скоростей, собранные на сельсинах. Сельсин представляет собой индукционный двигатель с двойным питанием. Телеметрическое устройство на сельсинах может быть собрано по схе­ ме, показанной на рис. 8.1, а, где однофазные роторные обмотки питаются от общей сети. Трехлучевые статорные обмотки сельсинов соединены между собой.

При таком включении сельсины обладают свойством самоустановки

всинфазное положение, которое достигается за счет внутренних элект­ ромагнитных сил. В этом положении э. д. с., наводимые в каждом из лучей статорной обмотки одного сельсина, равны э. д. с., наводимым

всоответствующих лучах статорной обмотки другого сельсина, и на­ правлены встречно. Поэтому токи в соединительных проводах не про­ текают.

При повороте ротора сельсин-датчика первичным измерителем ПИ

на угол ссі равенство э. д. с. нарушается, т. е .£ \Ф Ех, Е2ф Е 2, ЕъФ Е3. Появляется разность электродвижущих сил А£ = Е' — Е", и в со­ единительных проводах протекает ток

где Rобщ — общее активное сопротивление цепи; 20бщ — общее реактивное сопротивление цепи.

Этот ток, взаимодействуя с потоком Ф0, создаваемым роторной обмоткой сельсин-приемника, вызывает появление вращающего момен­ та, величина и направление которого зависят от величины и направле­ ния тока і. Под действием вращающего момента ротор сельсин-прием­ ника повернется на угол аг и займет положение, при котором ÄЕ сно­ ва будет равно нулю. Статический синхронизирующий момент в такой системе синхронной связи определяется выражением

194

Устройства телеметрической синхронной связи на сельсинах обла­ дают обратимостью, т. е. рассогласование в них можно вводить как со стороны сельсин-приемника, так и со стороны сельсин-датчика. Для таких устройств характерны самоустановка при включении питания, многооборотиость, долговечность и простота в эксплуатации.

Аналогичная по принципу работы система может быть построена на двух индукционных преобразователях (рис. 8.1, б), один из которых

а — на сельсинах; б — на индукционных преобразователях.

(ИПі) выполняет роль датчика, а второй (ИП2) — роль приемника. Рамка ИПі жестко связывается с подвижной системой первичного из­ мерительного прибора ПИ, а рамка ИП2 — со стрелкой указателя кон­ тролируемого параметра. В режиме статического равновесия э. д. с., наводимые в рамках ИПі и ИП2, равны по величине, но за счет встреч­ ного включения ток в проводах, соединяющих рамки, равен нулю.

где wp — количество витков подвижной рамки датчика и приемника; со — круговая частота питающего напряжения.

Так как в этом случае Е4 Ф Е2, то в соединительных проводах по­ явится ток, величину которого можно определить по формуле

где Zt — Ді -f /coLi, Z2 = R2 + ja>L2 — полные сопротивления рамок датчика и приемника соответственно;

где Ki — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, ток, вызывающий вращение рамки приемника при

давления. Устройство состоит из первичного измерительного прибора — манометра М, измеряющего давление Р. Подвижная система манометра связана с сердечником индукционного датчика, первичная обмотка кото­ рого Wi питается переменным напряжением, а две вторичные обмотки w2 имеют равное число витков и включены встречно. На приемной сто­ роне установлен аналогичный индукционный датчик; сердечник его может перемещаться при помощи двигателя Дв через кулачок Кул. Профиль кулачка рассчитан таким образом, чтобы скомпенсировать нелинейность шкалы манометра М. Двигатель Дв включен на выходе нуль-индикатора НИ, на который подается сигнал дебаланса из линии связи ЛС.

В состоянии статического равновесия э. д. с. Еи Е2, направленные навстречу одна другой и равны по величине, ток в линии связи отсут­ ствует и сигнал на входе НИ равен нулю. При изменении давления Р изменяется положение подвижного сердечника на передающей стороне и Еі Ф Е2. При этом на входе нуль-индикатора появляется напряже­ ние дебаланса АЕ, которое фиксируется НИ, усиливается и подается в цепь питания двигателя Дв. От знака А£ зависит направление враще­ ния ротора двигателя,который перемещает сердечник индукционного преобразователя на приемной стороне до тех пор, пока снова Et не будет равно Е2. Значение контролируемой величины отсчитывается по положению стрелки указательного прибора, связанного с кулачком.

196

Преимуществами нулевых систем телеизмерения являются отсут­ ствие тока в проводах линии связи при статическом равновесии, бла­ годаря чему снижается погрешность телепередачи от непостоянства сопротивления соединительных проводов, а также обеспечивается ма­ лая зависимость точности телепередачи от величины и частоты питаю­ щего напряжения.

К недостаткам таких систем относятся многопроводность, снижаю­ щая дальность телепередачи, а также потребность в достаточно боль­ шом усилии, прикладываемом к оси датчиков. Последнее обстоятельство сужает область применения этих систем телеизмерения, позволяя

Рис. 8.3. Схема (а) и токи в плечах (б) мостовой синхронной системы телеизмерения.

использовать их только при наличии первичных измерительных прибо­ ров большой мощности, таких как манометры, уравнемеры и пр., т. е. приборов для контроля неэлектрических величин.

Мостовые синхронные системы. Примером построения мостовой системы на переменном токе может служить телеметрический мост, плечами которого являются переменные индуктивности (рис. 8.3, а). Роль индуктивностей выполняют здесь два индуктивных преобразова­ теля: один из которых установлен на передающей, а другой — на приемной стороне. Датчик и приемник соединяются между собой трех­ проводной линией связи и питаются однофазным переменным напря­ жением. Плунжер датчика механически связан с подвижной систе­ мой первичного измерительного прибора ПИ, измеряющего контроли­ руемый параметр.

В связи с тем, что для перемещения плунжера датчика требуется достаточно большое усилие, первичный прибор должен иметь боль­ шой момент на оси подвижной системы. Таким моментом обладают при­ боры для измерения неэлектрических величин. Сердечник приемника связан со стрелкой указательного прибора.

Принцип работы устройства заключается в следующем. Так как схема является симметричной, то при среднем положении сердечников датчика и приемника полные сопротивления отдельных плеч моста рав­ ны между собой:

Z1 — — Z3 = z 4.

При этом схема находится в сбалансированном состоянии, т. е.

= 1)й = 1) 4, Д = /2= /3 = Д.

Ток в среднем проводе равен нулю. При перемещении сердечника датчика в любое положение равновесие моста нарушается, так как со­

противления Zi и Z2 получают приращения противоположные по знаку. При этом токи в верхнем и нижнем плечах датчика станут не рав­ ными между собой (/і Ф / 2), а в среднем проводе появится уравни­ тельный ток / 0 (рис. 8.3, б). Разность между токами / 3 и / 4 в приемнике приведет к появлению электромагнитного усилия, стремящегося пере­ местить сердечники в новое положение. Но поскольку сердечник дат-

чика удерживается первичным измерительным прибором, то свободно может перемещаться лишь сердечник приемника, который и просле­ дит за положением сердечника датчика.

Для произвольного положения сердечников условие равновесия можно записать так: ZjZ4 = Z2Z3. При записи в полярной форме Z =

= \Z\ei4>условие равновесия перепишется так:

I Z x11Z 4 1 = I Z 2 11Z3 1е/(фг+ф!,).

Последнее выражение обычно представляют в виде двух уравне­

Относительная погрешность рассмотренной телеметрической систе­ мы не превышает 1,5%. Дополнительная погрешность от непостоянст­ ва сопротивления соединительных проводов в пределах 3 ом равна

± 1%.

Небалансные мостовые системы. К этим системам телеизмерения от­ носятся различные типы логометрических систем, у которых значения контролируемого параметра, определяемые отношением двух токов или напряжений, измеряются логометром.

Логометрические системы телеизмерения могут работать как на пе­ ременном, так и на постоянном токе и имеют чаще всего многопровод­ ные линии связи, что ограничивает их дальность действия. Существу­ ет два вида таких систем: с делением тока и с делением напряжения. На рис. 8.4, а показана принципиальная схема системы телеизмерения с делением тока. Схема состоит из потенциометрического датчика (его движок связан с подвижной системой первичного измерительного при-

198

бора ПИ), трехпроводной линии связи, средний провод которой под­ ключен к источнику питания V, и логометра на приемной стороне.

Схему используют обычно для контроля неэлектрических величин. Угол отклонения приемного прибора а пропорционален отношению токов в верхнем и нижнем проводах линии связи;

Для идеальной телепередачи необходимо, чтобы угол отклонения приемного прибора был пропорционален отношению сопротивлений плеч датчика Rz/Ri. Из последнего выражения следует, что это усло­ вие выполняется при R2 -+- R3 и Ri ^ R0l + R3) т. е. когда сопротивление потенциометрического датчика R значительно превы­ шает суммарное сопротивление линии и логометра. Последнее условие, правда, нарушается при перемещении движка к краям датчика и, чтобы избежать этого, в крайние провода схемы включают дополнительные резисторы Ra. Чувствительность логометра при этом следует взять не­ сколько выше.

Преимуществом рассмотренной схемы телеизмерения является не­ зависимость показаний логометра от колебаний напряжения питания