Телеизмерительные системы

В практике применения информационно измерительных системИИС встречается необходимость осущест­влять измерения (или контроль) на объектах, находящихся на значи­тельном расстоянии от места нахождения оператора. Такая необхо­димость встречается, например, при передаче измерительной инфор­мации со спутника Земли, космических летательных аппаратов. В энергетических системах наблюдение за режимом работы электри­ческих станций производится с диспетчерского пункта, находя­щегося иногда на больших расстояниях (десятки, сотни километров) от станций.

В этих случаях передача измерительной информации произво­дится по каналам связи, под которыми понимается совокупность технических средств для передачи сигналов. Применяемые каналы, связи могут быть разделены на проводные линии связи (воздушные и кабельные) и радиоканалы (радиолинии). Канал связи характе­ризуется определенной полосой пропускания частот, зависящей от вида канала связи и наличия помех.

ИИС, в которых передача измерительной информации произво­дится по каналам связи, получили название телеизмерительных систем (ТИС). Наличие канала связи существенно влияет на струк­туру ТИС.

Для телеизмерений на небольших расстояниях (10—20 км) применяются ТИС с передачей измерительной информации постоянным током (0—5 мА) по проводным линиям связи.

Принцип построения таких систем показан на рис. 22. В дан­ном примере измеряемыми величинами являются переменные токи I_х напряжения U_x. На схеме показаны стандартные измерительные трансформаторы тока Т_р1 и напряжения Т_рu, во вторичные обмотки которых включены вторичные измерительные трансформаторы тока ВТ _р1 и напряжения ВТ_рu, необходимые для гальвонического разделения цепей измерительных трансформаторов и устройств телеизмерений (включая линию связи) и получения необходимых напряжений для выпрямительных устройств ВУ.

Рис. 22. Структурная схема токовой ТИС

Подключенное к линии связи ЛС₂ выпрямительное устройство ВУ_i выдает в линию связи постоянный ток, значение которого зависит от измеряемой величины. На приемной стороне этот ток измеряется миллиамперметром mА_i, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой величины. Принцип работы системы заключается в следующем. Оператор посредством устройства управления УУ подает команду для включения необходимого канала (команда на передающую сторону передается по линии связи ЛС₁).

Включение производится переключающими устройствами П₁ и П₂, которые замыкают цепь соответствующего ВУ_i на передающей стороне и включают соответствующий принимающий прибор mА_i.

Такие телеизмерения называются телеизмерениями по вызову (или спорадическими). Система может работать и с автоматическим переключением измерительных каналов по заданной программе (циклические телеизмерения).

Дальность действия подобных систем ограничивается погреш­ностью, вносимой непостоянством параметров линии связи. Практи­чески по воздушным линиям связи дальность действия таких систем 7—10 км, по кабельным линиям связи 20—25 км.

При необходимости производить телеизмерения (или телеконт­роль) на больших расстояниях по проводным линиям связи или по радиоканалам применяются ТИС с унифицированным сигналом, в меньшей степени зависящим от непостоянства параметров канала связи. Примером таких систем могут быть:

1. частотные ТИС (измери­тельная информация передается частотой переменного тока или импульсов постоянного тока);

2. время-импульсные системы (измерительная информация передается длительностью импульсов постоян­ного тока или интервалами между импульсами);

3. цифровые, или, как их еще называют, кодо-импульсные ТИС (измерительная информация передается цифровым кодом).

Обобщенная структурная схема одного канала частотной системы приведена на рис. 23. На выходе передающего устройства ПУ получаются сигналы в виде переменного тока или импульсов по­стоянного тока, частота f_x которых обычно пропорциональна значе­ниям измеряемой величины х (величина в виде частоты f_x передается по каналу связи КС).

Рис. 23. Обобщенная структурная схема одного

канала частотной системы

На принимающей стороне приемником ПР частотно-модулированные сигналы преобразуются в напряжение постоянного тока U или ток І, измеряемые магнитоэлектрическим прибором МЭП. Сигнал передающего устройства характеризуется коэффициентом:

где f_max — наибольшая частота, f_min — наименьшая частота.

Коэффициент λ определяет наибольшее изменение частоты, несущей инфор­мацию. Изменение частоты сигна­ла характеризуют также девиацией частоты ε, являющейся относитель­ным изменением частоты от среднего ее значения f₀.

Величины λ (или ε_m) определяют число возможных параллельных передач по каналу связи ряда измеряемых величин путем частотного разделения измерительных каналов. От значения λ (или ε_m) зависят и метрологические ха­рактеристики системы.

Частотные системы начали применять с начала 30-х годов и до последнего времени в нашей стране они были наиболее распростра­ненными.

В цифровых телеизмерительных (кодо-импульсных) системах измерительная информация передается по каналу связи импульсными кодами. Обычно применяются коды, в которых используются два символа: «0» и «1». Для удобства передачи информации и ее расши­фровки применяют, как правило, равномерные коды, которые харак­теризуются постоянным числом элементов в кодовых комбинациях. Известны различные равномерные коды. Основными критериями оценки кодов для цифровых систем являются:

1. число квантов шкалы измерений на один символ кода, помехозащищенность кода,

2. слож­ность цифровой формы представления результатов измерений, ширина полосы пропускания частот в канале связи.

Наиболее эко­номичным по числу символов в каждой комбинации является двоич­ный код. Например, при разбиении шкалы измерений на 100 кван­тов двоичный код будет содержать 7 символов, единично-десятич­ный — 20 символов. Единично-десятичный код удобен для цифро­вого воспроизведения измеряемой величины, а поэтому код на приемной стороне преобразуется в параллельный единично-десятич­ный код.

Рис. 24. Варианты кодовых сигналов для цифровых

телеизмерительных систем:

а) позиционно-импульсный кодовый сигнал;

б) пози­ционный кодовый сигнал;

в) кодовый сигнал с отличием символов «0» и «1» в виде длительности импульсов.

На рис. 24 показаны варианты кодовых сигналов. Рисунок 24, а иллюстрирует позиционно-импульсный кодовый сигнал — значащие импульсы разделены интервалами, рис. 24, б — пози­ционный кодовый сигнал и рис. 24, в — кодовый сигнал с отличием символов «0» и «1» в виде длительности импульсов.

Позиционные коды имеют преимущество перед позиционно-импульсными кодами, так как при их передаче по каналу связи требуется меньшая полоса частот, что очевидно на основании зависимости:

где f_max — граничная частота, пропускаемая данным каналом связи;

k — коэффициент.

Наличие помех в канале связи может привести к искажению кода, т. е. к погрешности телеизмерений. Для повышения помехоустойчивости телеизмерительных систем применяют коды с обнаружением ошибок, вызванных помехами. Принцип построения таких кодов базируется на создании не­которой избыточности, которая заключает­ся в том, что из всех возможных кодовых комбинаций выбирается их часть, подчиняющаяся определенному закону. Остальные комбинации считаются запрещенными. Очевидно, что при таком построении кодов может быть выявлена лишь часть ошибок, так как не исключена возможность такого искажения кода помехами, когда одна разрешенная комбинация переходит при искажении кода помехой в другую разрешенную комбинацию, что при­водит к погрешности. Простейшим примером двоичного кода с обна­ружением ошибок является код с контролем четности (или нечет­ности) числа единиц в каждой кодовой комбинации. Для достижения этой цели кодовая комбинация дополняется единицей или нулем, чтобы число единиц в каждой кодовой комбинации было четным (или нечетным). При контроле по четности передающее устройство при таком коде должно иметь дополнительный блок, проверяющий выходной сигнал на четное число единиц, и в случае нечетного их числа в дополнительном разряде формировать единицу. В прием­нике должна проверяться четность числа единиц, и только в этом случае может быть дано разрешение на считывание. Очевидно, что при таком коде может быть обнаружена ошибка от пропажи или появления импульса от действия помехи. Известны коды с обнару­жением и большего числа искажений.

На рис. 25 приведена одна из возможных структурных схем передающего устройства цифровой телеизмерительной системы. Измеряемые величины х₁,..., x_n посредством измерительных пре­образователей ИП₁,..., ИП_n выражаются унифицированными сигналами Z₁,..., Z_n, в качестве которых обычно применяются напряжения постоянного тока (до 10 В). Коммутатор К поочередно включает сигналы Z на аналогово-цифровой преобразователь АЦП, параллельный код которого подается на преобразователь ПК параллельного кода в последовательный.

Рис. 25. Структурная схема передающего устройства циф­ровой телеизмерительной системы

Этот преобразователь управляет также блоком формирования контрольных символов (БФКС) для образования помехозащитного кода, преводит коммутатор в следующее положение; после выдачи в канал связи через выходной блок ВБ кода опрошенной измеряемой величины и после опроса всех измеряемых величин формирует так называемую синхросерию — код, используемый для цикловой синхронизации приемника. Частота опроса измеряемых величин задается генера­тором тактовых импульсов ГТИ.

Рис. 26. Структурная схема приемного устройства

телеизмерительной системы

Приемники цифровых систем можно разбить на две группы:

1. приемники с аналоговыми приборами;

2. приемники с цифроуказателями или регистрирующими приборами.

Приемники с аналоговыми приборами существенно проще. На рис. 26. приведена возможная структурная схема такого приемника. Код из канала связи поступает во входной блок ВБ, в котором восстанавливаются импульсы кода, искаженные в канале связи, из-за ограниченной полосы пропускаемых частот и помех. Из ВБ сигналы поступают в преобразователь последовательного кода в параллельный ПК и далее на цифро-аналоговые преобразователи ЦАП. Блок цикловой синхронизации ЦС выделяет синхросерию и устанавливает коммутатор К в исходное положение. Далее коммутатор К поочередно подает сигналы на логические системы И синхронно и синфазно с коммутатором передающего устройства, так как генератор ГТИ синхронизирован блоком внутрицикловой синхронизации ВЦС с генератором пере­дающего устройства. При поступлении из канала связи неискажен­ной кодовой комбинации блок контроля БК выдает сигнал разре­шения на все схемы И, но срабатывает ЦАП того измерительного канала, который определен сигналом коммутатора.

Цифровые телеизмерительные системы обладают рядом досто­инств, из которых наиболее существенными являются хорошие метрологические характеристики, возможность работы по различ­ным каналам связи, высокая помехоустойчивость и возможность ввода измерительной информации в электронные вычислительные машины для ее обработки. Но эти системы сравнительно сложные. Однако развитие микроэлектроники, создание интегральных микро­схем позволяет создавать компактные и надежные конструкции блоков системы, что и обеспечивает перспективность применения систем этой группы.

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляют собою комбинированные системы автоматического контроля?

2. Что такое телеизмерения по вызову?

3. Каковы достоїнства цифрових телеизмерительных систем?

Дата добавления: 2014-01-11