книги из ГПНТБ / Барсуков Ф.И. Элементы и устройства радиотелеметрических систем

направлению исследуемого перемещения можно повысить разрешаю­ щую способность преобразователя при соответствующем изменении кодового рисунка.

У фотоэлектрических преобразователей возможность уменьшения размеров считывающих элементов больше, чем у контактных преоб­ разователей, поэтому пх разрешающая способность может . быть получена значительно более высокой.

В преобразователях считывания погрешность определяется ди­ скретностью преобразования, скоростью изменения преобразуемой величины во времени н ошибками, определяемыми неоднозначностью отсчета. Ошибка за счет дискретности преобразования связана с раз­ решающей способностью преобразователя. При несимметричном рас-

Рис. 2-26. Расположение интервалов дискретности относительно фиксированного значения входного угла.

а — несимметричное; б — симметричное.

положении интервалов дискретности относительно фиксированного значения входного перемещения (рис. 2-26,а) эта ошибка численно равна разрешающей способности (уровню квантования), а в случае симметричного расположения интервалов дискретности (рис. 2-26,6)— половине уровня квантования.

Вследствие ошибок, допускаемых при изготовлении АЦП, прак­ тически невозможно добиться такого положения, чтобы все считы­ вающие элементы (щетки) сходили с ламелей кодового рисунка или начинали контактировать с ними одновременно. Это приводит к не­ однозначности считывания и возникновению больших ошибок преоб­ разования на границах изменения разрядов, которые могут достигать значения старшего разряда -используемого кода.

На рис. 2-27,а приведено звено контактного АЦП, имеющего кодовый рисунок в виде ламелей и щетки, предназначенные для счета горизонтальной координаты звена в цифровой форме. Отсчет координаты звена для случая, представленного па схеме, может производиться с точностью до четырех двоичных разрядов (может быть снят отсчет кодов со значениями от 0000 до 1111). Ошибки, связанные с неоднозначностью считывания, могут быть снижены до величины разрешающей способности несколькими методами, одним из которых является установка на каждом разряде, кроме младше­ го, по две щетки, сдвинутых относительно центра ламелей младшего разряда. В младшем разряде устанавливается одна щетка, по кото-

80

poi'i логически выбираются для считывания нужные Щетки остальных высших разрядов.

Считывание производится или группой щеток 1, 2, 3, 4, 5, или группой щеток 1, 2', 3', 4', 5'. Если щетка 4 контактирует с за ­ штрихованной ламелью, считывание производится щетками 1, 2', 3', 4', а если щетка 1 контактирует не с заштрихованной ламелью, то считывание производится со щеток 1, 2, 3, 4. Этим исключается по­ явление ошибок неоднозначности,

•превышающих по величине едини­ цу младшего іразряда.

Расположение считывающих элементов друг относительно дру­ га на малом расстоянии, равном интервалу дискретности, усложня­ ет юстировку контактного АЦП.

Развитием метода построения контактного устройства с двумя щетками на разряд является Ѵ -ме- тод :(«Фау»-код). Сущность метода состоит в том, что выбор щеток для считывания последующего раз­ ряда определяется значением от­ счета предыдущего разряда. На рис. 2-27,в представлено располо­ жение щеток при Ѵ -методе.

Щетки выбираются по следу­ ющему правилу. Если в предыду­ щем младшем разряде считана единица, то в последующем стар­ шем разряде должна быть выбра­ на левая щетка и наоборот. При использовании К-кодов упрощают­ ся требования на юстировку кон­ тактного устройства, «о усложня­ ется логическое устройство. В ка­

честве устройств для выбора щеток могут служить реле, триггеры, диоды и другие логические элементы, включенные .между двоичными разрядами.

'Кроме рассмотренных конструктивных способов устранения оши­ бок за счет неоднозначности отсчета используются другие методы, основанные на представлении чисел в специальных условных кодах, в которых изменению числа на единицу младшего разряда соответ­ ствует изменение значения лишь одного какого-либо разряда. Такие коды называются рефлексными кодами.

Применение рефлексного кода, кроме того, позволяет повысить вдвое разрешающую способность преобразователя по сравнению с обычным двоичным кодом. В качестве примера рефлексного кода рассмотрим код Грея. Этот код образуется из обычного двоичного

нен в соответствии с кодом Грея.

Из рассмотрения табл. 2-1 и рис. 2-28 следует, что в любом случае два числа, следующие непосредственно друг за другом, от-

личаются значением только одного разряда. Вследствие этого ошиб­ ка преобразования не может превысить единицы младшего разряда. Для того чтобы использовать результаты, полученные с преобразо­ вателя, построенного на основании кода Грея, необходимо перевести их в обычный двоичный код.

В преобразователях последовательного счета для измерения ме­ ханическое перемещение преобразуется в двоичный код путем счета числа импульсов, фиксируемых счетчиком.

Преобразователи этого типа могут быть выполнены цикличе­ скими и накапливающими. В циклических преобразователях при каж­ дом измерении (цикле) преобразуется вся измеряемая аналоговая величина (перемещение).

В накапливающих (интегрирующих) преобразователях в каждом цикле измерения преобразуется только лишь приращение аналоговой

82

пспульсов СИ. В момент прохождения метки 5 под магнитной го­ ловкой 7 формируется импульс, который, воздействуя на триггер, перебрасывает его в другое устойчивое состояние.

Ключевая схема при этом запирается и подача импульсов на счетчик прекращается.

Число импульсов, зафиксированное счетчиком, пропорционально углу поворота подвижной головки 7, т. е. углу поворота ф вала 8. Показания счетчика снимаются в конце каждого цикла. Время одно­ го цикла определяется скоростью вращения барабана. Разрешающая

Для повышения разрешающей способности преобразователей по­ следовательного счета их строят с промежуточным преобразованием измеряемого угла во временной интервал с тем, чтобы измерить длительность этого интервала методом, обеспечивающим более вы­ сокую точность.

Накапливающие преобразователи последовательного счета содер­ жат задающий и считывающие элементы, счетное устройство и уст­ ройство, определяющее знак изменения определяемого перемещения. В качестве счетного устройства в накапливающих преобразователях используются реверсивные счетчики.

В настоящее время выпускаются накапливающие преобразова­ тели с погрешностью 0,001% и меньше.

Г Л А В А Т Р Е Т Ь Я

СОГЛАСУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

3-1. О Б Щ И Е С В Е Д Е Н И Я

Для осуществления многоканальной передачи с помощью одной радиолинии различные информативные параметры электрических’ сигналов' поступающих с вы­ ходов отдельных измерительных преобразователей, необ­ ходимо прежде всего привести к единому параметру электрического сигнала, принятому для передачи по дан­ ной РТС. Преобразование выходных электрических сиг­ налов всех преобразователей к единому по виду электри­ ческому сигналу часто называют нормализацией сигна­ лов.

Устройства же, осуществляющие такую нормализацию, называют согласующими устройствами. Во многих совре­ менных РТС в качестве единого, нормированного по виду и величине, сигнала, снимаемого с выходом канальных согласующих устройств, используется напряжение посто­ янной полярности, изменяющееся по интенсивности

всоответствии с изменением телеметрируемой величины

внекоторых определенных пределах, например от 0 до 5 в или до 6 в. В общем случае согласующее устройство служит для преобразования одного вида выходной элек­ трической величины преобразователя в электрическую величину другого вида и согласования выхода преобра­ зователя со входом кодера передающей части РТС.

Нормализация выходных сигналов преобразователей

вканальных согласующих устройствах производится обычно в два этапа. Прежде всего выходная величина преобразователя преобразуется в напряжение постоянной полярности, а затем нормируются пределы изменения ве­ личины этого напряжения. Если же выходная величина преобразователя — напряжение постоянной полярности, тогда в канальном согласующем устройстве осуществля­ ется только нормирование этой величины.

Выходными электрическими величинами параметри­ ческих преобразователей являются параметры электриче­

ских цепей, такие, например, как, омическое, емкостное и индуктивное сопротивления. Для преобразования таких параметров в электрические сигналы параметрические преобразователи включаются в специальные электриче-

84

ские цепи, называемые измерительными схемами. В сос­ таве измерительной схемы имеется источник пита­

ния.

На выходе измерительной схемы формируется элек­ трический сигнал, один из параметров которого (инфор­ мативный параметр) соответствует значению телеметрируемой величины на входе преобразователя.

Выходные электрические сигналы измерительных схем и генераторных преобразователей преобразуются в еди­ ный сигнал —сигнал постоянной полярности посредством соответствующих преобразователей-демодуляторов. Тип используемого демодулятора в каждом канале определя­ ется видом информативного параметра выходного элек­ трического сигнала преобразователя (измерительной схемы) этого канала.

Таким образом, в общем случае в состав согласующе­ го устройства должны входить измерительная схема, демодулятор и нормирующее устройство.

В каждом частном случае задача и структура согла­ сующего устройства определяются методом уплотнения каналов в РТС, типом используемого в канале преобра­ зователя и видом информативного параметра выходного сигнала согласующего устройства.

К общему случаю построения согласующих устройств подходят согласующие устройства РТС с временным разделением каналов. В РТС с КИМ часто прибегают к непосредственному преобразованию информативного па­ раметра электрического сигнала, несущего информацию о значении телеметрируемой величины, в двоичный код без предварительного преобразования в напряжение по­ стоянной полярности.

В РТС с частотным разделением каналов роль изме­ рительной схемы выполняет генератор гармонических поднесущих колебаний, в котором один из его элементов, определяющих частоту колебаний, заменяется частично или полностью измерительным преобразователем.

Характеристикой согласующего устройства является зависимость величины информативного.параметра (тівых) электрического сигнала на выходе согласующего устрой­ ства от выходной величины электрического преобразова­ теля С/д, т. е. гівых= іЯ ^ д) • С целью уменьшения искаже­ ний при преобразовании указанную зависимость стремят­ ся сделать линейной. Коэффициент преобразования со­ гласующего устройства при линейной характеристике

85

преобразования определяется как отношение приращения его выходной величины к входной

_ ^Лвшх Ас-У—

Согласующее устройство может вносить в преобра­ зуемый сигнал искажения, не превышающие допустимые, и обеспечивать хорошее согласование выхода преобразо­ вателя со входом кодера передающей части РТС. Выпол­ нение этих требований достигается рациональным выбо­ ром элементов согласующего устройства и их характери­ стик с учетом производимых преобразований. В ряде случаев выбор согласующего устройства и структура его построения связываются о одновременным выбором пре­ образователя, осуществляющего преобразование телеметрируемон величины.

Помимо указанных требований к согласующим устройствам предъявляются конструктивные и эксплуа­ тационные требования, определяемые условиями их работы — это требования простоты, малогабаритности и надежности конструкции, экономичности питания, способ­ ности нормально функционировать в определенных условиях окружающей среды.

3-2. И З М Е Р И Т Е Л Ь Н Ы Е С Х Е М Ы

В задачу измерительных схем входит преобра­ зование выходных электрических величин параметриче­ ских преобразователей в электрические сигналы. В связи с тем, что выходные сигналы измерительных схем оказы­ ваются незначительными по величине, их приходится усиливать. Поэтому в измерительные схемы в таких случаях включаются усилители электрических сигналов.

В согласующих устройствах, кроме того, часто осуще­ ствляется компенсация различного рода погрешностей, которые возникают из-за воздействия на преобразователи разнообразных дестабилизирующих факторов (изменение температуры, питающих напряжений и т. д.).

Измерительная схема характеризуется коэффициен­ том преобразования, определяемым как отношение при­ ращения информативного параметра Ари.с выходного сигнала цепи к приращению выходной величины преоб-

86

Наиболее широко используемыми в РТС измеритель­ ными схемами являются мостовые схемы постоянного и

Мостовые измерительные схемы. Работа мостовых измерительных схем основана на использовании метода уравновешивания измеряемой электрической, величины с известной.

В результате использования этого метода измеряется (преобразуется) не все значение преобразуемой величи­ ны, а только ее изменения около не­ которого уровня. Применение такого метода особенно важно в тех слу­ чаях, когда относительное измене­ ние выходной электрической величи­ ны параметрического преобразова­ теля оказывается незначительным.

Например, при использовании тер­ мисторов для измерения температу­ ры, тензометрических преобразова­ телей для измерения параметров деформации (вибраций) и в других случаях относительное изменение

выходных величин (сопротивлений) преобразователей не превышает единиц процентов. Применение мостовых схем позволяет значительно повысить точность преобра­ зования телеметрируемой величины в электрический сиг­

нал.

Мостовая схема на постоянном токе. В этой схеме (рис. 3-1) резисторы Ri, R%, R3 и Rt образуют плечи моста. К одной из диагоналей моста (точки а, б) подво­ дится постоянное напряжение. С другой диагонали—из­ мерительной (точки в, г) снимается выходное напряже­ ние Uвых, которое появляется при разбалансировании моста. Условие равновесия (баланса) моста, (Нвых= 0) выполняется, если удовлетворяется следующее равен­ ство.

Ri ■Ri=R2’R3-

Это условие может быть нарушено за счет изменения величины сопротивления одного из плеч моста. В качест-

87

ве одного из сопротивлений плеч моста включается пре­ образователь электрического сопротивления. С изменени­ ем входной величины преобразователя изменяется величина разбалансировки моста и соответственно выходное напряжение.

Различают низкоомные и высокоомные мосты посто­ янного тока. В низкоомных мостах эквивалентное сопро­ тивление Рм для тока / (рис. 3-1) значительно меньше, чем внутреннее сопротивление источника питания Rs. В этом случае изменение сопротивлений плеч моста практи­ чески не влияет на величину тока, протекающего через мост от источника питания, т. е. 1= const. В высокоомных мостах, питающихся от источников со сравнительно не­ большим внутренним сопротивлением R ^ ^ R s , с измене­ нием величины сопротивлений плеч постоянным остается напряжение, прикладываемое к точкам о, б (рис. 3-1):

Ий=Е— /i?5=const.

В согласующих устройствах применяются преимуще­ ственно высокоомные мосты (Ры = 300-н1 000 ом при R5, составляющем доли или единицы ом). Если выход моста нагружается сравнительно высокоомным сопротивлением, например входом электронного усилителя, то напряжение на выходе мостовой схемы при этом определяется из сле­ дующего соотношения:

Резисторные преобразователи можно включать вместо любого из четырех резисторов, образующих мост. Если, например, включить преобразователь вместо резистора Ri, то с изменением преобразуемой величины, воздейст­ вующей на преобразователь, изменится сопротивление Ri{ERi), что вызовет разбаланс моста. Выходное напря­ жение моста при этом будет зависеть от величины изме­ нения сопротивления преобразователя АRi приближенно следующим образом:

Из приведенного выражения следует, что выходное напряжение пропорционально изменению сопротивления преобразователя АRi. Такая зависимость будет справед­ лива только при условии, что ARi<^(Ri + R i).

88

Чувствительность мостовой схемы, под которой 'пони­ мают отношение выходного напряжения моста к величи­ не изменения сопротивления преобразователя А^ь при указанных выше условиях составит:

Обычно применяются равноплечные мосты, у которых Я1==іЯ2=:і)?3=&4= і/?. Чувствительность таких мостов ока­

зывается максимальной и равной

(3 ‘3)

Выходное напряжение равноплечного моста при этом составляет:

т. е. отношение выходного напряжения моста к напряже­ нию питания в 2 раза меньше относительного изменения сопротивления его плеча (преобразователя). Так как от­ носительное изменение сопротивления таких преобразо­ вателей, как тензометрические, весьма мало и не превы­ шает 1—2% , то и выходное напряжение моста оказывает­ ся очень малым (в пределах от единиц до нескольких десятков милливольт) и для дальнейшего его использо­ вания необходимо значительное усиление.

Увеличение чувствительности мостовой схемы за счет повышения питающего напряжения U0 ограничивается допустимой токовой нагрузкой вэлементах моста. Значи­ тельный ток в плечах моста будет вызывать разогрев ре­ зисторов-и приведет к значительному увеличению логгрешности преобразования. Для повышения чувствитель­ ности моста вместо одного преобразователя используют два, включая их в противоположные плечи моста.

Мостовая цепь позволяет сравнительно просто осу­ ществить компенсацию погрешностей измерения неэлектрических величин, вызываемых нестабильностью темпе­ ратуры окружающей среды. С этой целью в плечо моста, соседнее с рабочим плечом (куда включен преобразова­ тель), включается нерабочий (компенсирующий) преоб­ разователь, аналогичный рабочему, С изменением темпе­

89