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

Обозначив 2kjk2R = К, получим, что э.д. с. снимаемая с выхода преобразователя, будет пропорциональна мгновенному значению из­ меряемой мощности, т. е.

Эта э. д. с. на приемной стороне компенсируется напряжением U2 компенсатора (рис. 8.12), который состоит из нуль-индикатора с усилителем НИ, двигателя Дв и потенциометра RK. Точность работы системы без учета утечек в линии связи ЛС определяется чувствитель­ ностью нуль-индикатора. Если напряжение нечувствительности обо­ значить через АU, ток нечувствительности — через А/, длину линии связи — через I, сопротивление линии — через R0, то можно запи­ сать, что

С учетом изменения сопротивления линии связи из-за колебаний температуры окружающей среды

где а — температурный коэффициент; R2o — сопротивление линии при температуре 20° С, выражение (8.51) принимает вид

Относительная погрешность телеизмерения (в процентах)

ного тока можно построить так, что передача значений контролируе­ мой величины будет производиться либо на высоких, либо на сравни­ тельно низких частотах, в диапазоне подтональных частот. Наиболее удобными являются частоты от 2 до 40 гц.

Для управления частотой LC- или ДС-генератора в диапазоне 20—40 гц требуется емкостной преобразователь с емкостью в несколь­ ко тысяч пикофарад. Наиболее рациональный способ перемещения ротора такого преобразователя достигается при использовании миниа­ тюрного реверсивного двигателя.

Схема передающего устройства низкочастотной системы телеизме­ рения мощности изображена на рис. 8.13.

Для температурной стабилизации частоты, генератор Г охвачен здесь отрицательной обратной связью, которая осуществляется с помощью

210

конденсаторного частотомера КЧ и выявителя небаланса ВН. Напря­ жение U, снимаемое с индукционных датчиков ИПХ и ИГЪ, подается на вход выявителя небаланса через выпрямитель В. С выхода выяви­ теля небаланса напряжение С/„б через усилитель У поступает на дви­ гатель Дв, который управляет частотой генератора Г путем изменения емкости конденсатора С, входящего в колебательную цепь генератора. Схема питается от блока питания БП. Выявитель небаланса состоит из трансформатора Тр с симметричной вторичной обмоткой и двух дросселей насыщения ДНі и ДН2.

Рис. 8.13. Схема передающего устройства низкочастотной системы телеизмерения мощности.

Сердечники дросселей подмагничиваются постоянными токами / 1 и / 2. При равенстве этих токов, напряжение Д„б на выходе выявителя небаланса равно нулю. Ток / j создается в обмотке подмагничивания дросселя ДН, за счет выпрямленного суммарного напряжения U, сни­ маемого с выходных обмоток индукционных преобразователей ИПі и ИП2. Напряжения на выходе преобразователей пропорциональны углам поворота подвижных систем первичных измерительных приборов (ваттметров), т. е. измеряемой мощности:

Суммарное напряжение, подаваемое на вход выпрямителя В,

где k„ — коэффициент выпрямления.

Ток подмагничивания /2 в обмотке дросселя ДН2 пропорционален

211

f0 — начальная частота, соответствующая нулевому значению из­ меряемой мощности.

В уравновешенном состоянии Д = / 2, так что

Рис. 8.14. Схема приемного устройства низкочастотной системы телеизмерения мощности.

В случае, если Pt + Рг = 0, в линию связи передается частота

с помощью которой производится контроль работоспособности линии связи и всей телеметрической аппаратуры. Если измеряемая мощность изменяется, то рамки индукционных преобразователей Рі и Р 2 пово­ рачиваются и ток / 1, поступающий в обмотку дросселя ДН 4, изменя­ ется. На выходе выявителя небаланса ВН появляется при этом напря­ жение и пб, величина которого пропорциональна абсолютному прира­ щению тока Іи а фаза зависит от знака этого приращения. Напряжение £/нб усиливается сначала усилителем У, а затем поступает на ревер­ сивный двигатель; ось последнего связана с осью ротора конденсатора переменной емкости С генератора Г.

При вращении оси двигателя частота генератора изменяется, это приводит к изменению тока / 2 на выходе конденсаторного частотомера КЧ и к устранению разбаланса. Частота генератора изменяется до тех пор, пока вновь не наступит равновесие токов/4 и / 2. При этом UH5 бу­ дет равно нулю, а в линии связи появится частотный сигнал, соответ­ ствующий новому значению контролируемой мощности. Таким обра­ зом, рассмотренный передатчик представляет собой астатическое устройство регулирования частоты.

Частотный сигнал из линии связи поступает в приемное устройство, схема которого изображена на рис. 8.14. В состав приемника входит конденсаторный частотомер КЧ, служащий для преобразования ча­

212

стоты сигнала в среднее значение тока / 2, который подается на дрос­ сель насыщения ДНі выявителя небаланса ВН. Схема выявителя не­ баланса такая же, как и в передающем устройстве. Второй дроссель насыщения ДН2 подмагничивается током / ь пропорциональным току / на выходе приемника. Напряжение небаланса ІІпб с выхода ВН по­ ступает на фазочувствителы-іый выпрямитель ФЧВ и пройдя через усилитель У, подводится к двум приборам: магнитоэлектрическому при­ бору, подвижная система которого жестко связана с рамкой Р индук­ ционного датчика ИП, и выходному приемному прибору ПП, который отградуирован в значениях контролируемой мощности. Изменение выходного тока I приводит, таким образом, к изменению положения подвижных систем МИП и ПП и к повороту рамки ИП. Следователь­ но, ток I і является функцией выходного тока /. В схеме применена неполная компенсация напряжения небаланса Uuб, т. е. в статиче­ ском режиме / ( ^ /j и ДНб = 0, поэтому приемное устройство пред­ ставляет собой статический регулятор тока.

Схема работает следующим образом. Предположим, что из линии связи на вход КЧ поступает сигнал, частота которого f пропорциональ­ на измеряемой мощности. В режиме статического равновесия этому сигналу соответствует вполне определенное значение выходного тока I. Если на передающей стороне произошло изменение контролируемой мощности, то частота принимаемого сигнала изменится и, следова­ тельно, изменится выходной ток частотомера / 2. Это приведет к изме­ нению напряжения на выходе выявителя небаланса UH6. Изменится в конечном итоге и напряжение на выходе усилителя У, к выходной цепи которого подключены МИП и ПП. Показания этих приборов из­ меняются, при этом магнитоэлектрический прибор МИП поворачива­ ет рамку индукционного преобразователя ИП. Напряжение на выходе рамки изменяется и после выпрямления подается на обмотку дросселя насыщения ДН2 в виде тока подмагничивания Д. Этот ток частично, но не до первоначальной величины, уравновешивает выявитель не­

Поскольку частотомер и вся схема питаются от общей сети напря­

213

Выходной ток приемника пропорционален коэффициенту усиления усилителя 1<у, поэтому

т. е. ток на выходе приемного устройства пропорционален частоте при­ нимаемого сигнала и при небольшом статизме не зависит от питающего

Рис. 8.15. Структурная схема частотной системы телеизмерения на биениях.

напряжения. Дополнительную погрешность могут вызывать колеба­ ния параметров в цепи преобразования частоты в среднее значение тока (кі), в цепи обратной связи (к2) и в блоке питания БП (кв).

На рис. 8.15 изображена структурная схема частотной системы те­ леизмерения, отличающаяся высоким значением коэффициента X и узкой полосой частот А/. Достигается это благодаря передатчику, ра­ ботающему на биениях. Передающее устройство системы состоит из первичного измерительного прибора ПИ, управляющего работой двух

Второй вход смесителя соединен со стабилизированным генератором Г, работающим на частоте 9,9 кгц. С выхода смесителя через полосовой фильтр ПФ сигнал подается на вход частотомера 4M, который преобра­ зует частоту в среднее значение тока, измеряемого приемным прибором ПП.

Принцип работы схемы заключается в следующем. Генератор ГЧ, генерирует частоту в диапазоне 50,0—49,5 кгц при изменении контро­ лируемого параметра от нуля до максимума. Частотный диапазон ге­ нератора ГЧ2лежит в пределах от 60—60,5 кгц, причем на вход полосово­

214

го фильтра ПФ подается частота, равная разности частот генераторов ГЧ2 и ГЧь т. е. 60—50 /сац. При максимальном значении контролируе­ мого параметра фильтром ПФ выделяется частота 60,5—49,5 кгц. Сле­

На приемной стороне смеситель выделяет сигнал, частота которого равна разности между частотой, поступающей из линии связи, и часто­ той собственного генератора Г. Поэтому на вход частотомера при нуле­ вом значении контролируемого параметра поступает сигнал с часто­ той 10 — 9,9 = 0,1 кгц (100 гц).

Рис. 8.16. Схемы простейших передатчиков частотно-импульсных систем телеизмерения:

а — с прерывателем; б — с фотоэлементом; в — с генератором.

При максимальном значении контролируемого параметра, когда сигнал в линии связи будет иметь частоту 11 кгц, на вход частотомера подается сигнал с частотой 11 — 9,9 = 1,1 кгц. Таким образом, диа­ пазон частот, поступающих на вход частотомера, лежит в пределах от 11 кгц до 100 гц, так что коэффициент, характеризующий кратность

частот, %— -у — - = = П , что обеспечивает измерение кон­

тролируемой величины с высокой степенью точности при сравнительно узкой полосе частот А/ = 1 кгц.

Частотно-импульсные системы. Простейшим передатчиком частотноимпульсной системы телеизмерения является обычный индукционный счетчик электроэнергии с контактным прерывателем на оси (рис. 8.16, а).

Величина вращающего момента, создаваемого подвижной системой

215

где qp — угол сдвига фаз между током и напряжением, то выражение для вращающего момента можно переписать в виде

т. е. вращающий момент, создаваемый на оси подвижной системы счет­ чика, пропорционален мощности электроэнергии Р. Постоянная ско­ рость вращения диска Д устанавливается при равенстве вращающего и тормозного моментов, когда

Тормозной момент возникает в результате взаимодействия поля вспомогательного постоянного магнита М с вихревыми токами, кото­ рые наводятся в диске потоком этого магнита и зависят, в основном, от величины постоянного потока и скорости вращения диска:

Так как поток Фр является величиной постоянной, то выражение

т. е. скорость вращения (число оборотов) диска пропорциональна мощ­ ности электроэнергии Р.

Если на оси подвижной системы счетчика установлен прерыва­ тель, то частота импульсов на выходе схемы рис. 8.16, а будет опреде­

стота импульсов не превышает 20 гц. Щетки коллектора, кроме того, создают дополнительный тормозной момент на оси счетчика. Для устра­ нения этих недостатков используют бесконтактные прерыватели. Од­ на из возможных схем такой системы изображена на рис. 8.16, б.

Основными элементами схемы являются источник света ИС, фото­ элемент ФЭ и диск счетчика Д с вырезанными по периферии зубцами. Количество зубцов определяет максимальную частоту импульсов, сни­ маемых со схемы. Принцип работы системы заключается в том, что ча­

электроэнергии Р. Для получения достаточно мощного сигнала на вы­ ходе импульсы после фотоэлемента усиливаются усилителем У.

Во втором варианте бесконтактного прерывателя (рис. 8.16, в) в качестве основного элемента используется LC-генератор высокоча­ стотных синусоидальных колебаний. Анодный La и сеточный Lc кон-

216

туры генератора размещены таким образом, что положительная обрат­ ная связь генератора зависит от расположения вращающегося диска Д счетчика. Так, если между контурами находится зубец, то индуктив­ ная связь резко уменьшается, что приводит к срыву генерации и к увеличению постоянной составляющей анодного тока.

Рис. 8.17. Схема передающего устройства частотно-импульсной системы телеизмерения с преобразователем Роера.

Наоборот, если между катушками находится пустой промежуток диска, то обратная связь увеличивается, генератор возбуждается, а постоянная составляющая анодного тока падает. Таким образом, при непрерывном вращении диска постоянная составляющая периодически то возрастает, то уменьшается, причем частота, с которой происходят эти изменения, как и в первых двух случаях, зависит от измеряемой мощности электроэнергии Р.

Рассмотренные схемы могут ис­ пользоваться не только для преоб­ разования мощности в частоту, но и для преобразования напряже­ ния или тока; для этого соответ­ ствующим образом переключают обмотки счетчика. В качестве при­ емников в этих системах могут ис­ пользоваться различного рода ча­ стотомеры.

На рис. 8.17 изображена схема передающего устройства частотно­ импульсной телеметрической системы, предназначенной для телеизме­ рения параметра, предварительно преобразованного в постоянный ток. Схема состоит из двухкаскадного эмиттерного повторителя, собранного на транзисторах Tj и Т2, преобразователя Роера, выполненного на транзисторах Т3 и Т4, и формирователя импульсов — триггера, со­ бранного на транзисторах Т5 и Т6. Приемное устройство этой системы (рис. 8.18) включает в себя входной усилитель У и конденсаторный ча­ стотомер, питаемый от стабилизированного источника напряжения.

Принцип работы передатчика заключается в том, что к его вход­ ным зажимам подключается датчик с токовым выходом, который

используется в схеме для сдвига нулевой точки. Результирующее на­ пряжение, снимаемое с эмиттерного повторителя, подается в качестве напряжения питания на мультивибратор Роера, преобразующий это напряжение в частоту импульсов. Так как с выхода мультивибратора снимаются импульсы, промодулированные как по амплитуде, так и по частоте, то для устранения амплитудной модуляции напряжение пода­

приемный прибор ПП, измеряющий среднее значение выходного тока. Так как при нулевой частоте сигнала показания прибора должны быть равными нулю, то в схеме предусмотрено устройство смещения нуля УСН, представляющее собой выпрямитель с кремниевым опорным дио­ дом на выходе. Часть напряжения с этого диода снимается в измери­ тельную цепь. Относительная погрешность приемника не превышает 1,5%, при максимальном токе на выходе 1 ма.

На рис. 8.19 изображена структурная схема балансного передатчи­ ка частотно-импульсной системы телеизмерения, состоящая из преоб­ разователя Пр! контролируемого параметра А в величину постоянноготока / ь магнитного выявителя небаланса МВН, фазочувствительно­ го усилителя ФЧУ, преобразователя Роера Пр.2 и конденсаторного частотомера КЧ, с помощью которого создается цепь отрицательной обратной связи по току / 2.

Ток /1 на входе выявителя небаланса пропорционален контролируе­

где kj — коэффициент пропорциональности.

Ток / 2 пропорционален разности частот, одна из которых (/„) пред­

218

где ку — коэффициент усиления ФЧУ; к, — коэффициент преобразования преобразователя Роера.

Напряжение небаланса, с другой стороны, пропорционально раз­ ности токов на входе МВН:

т. е. частота сигнала в линии связи пропорциональна контролируемо­ му параметру А. При А = 0 передаваемая частота / = /0 использует­ ся для контроля нулевого значения изме­ ряемого параметра и для проверки ис­ правности всей системы телеизмерения.

Коэффициент статизма телеметричес­ кой системы

+ к'к2

В качестве приемника рассмотренной системы телеизмерения может быть использована любая схема, обеспечивающая преобразование частоты импульсов в среднее значение выходного тока, измеряемого прибором магнитоэлектрической системы.

Благодаря использованию компенсационного метода преобразова­ ния контролируемого параметра в частоту импульсов, эта телеметри­ ческая система более устойчива к вредному влиянию нестабильности отдельных элементов передающего устройства.

Время-импульсные системы. Одна из возможных схем передатчика время-импульсной системы телеизмерения изображена на рис. 8.20, а. Схема предназначена для преобразования угла поворота подвижной системы первичного измерительного прибора ПИ в пропорциональную длительность импульсов и состоит из источника света ИС и фотодатчика