Способ передачи данных через воздушный зазор на основе индуктивно связанных контуров, возбуждаемых комбинацией прямоугольных импульсов, и устройство для его осуществления
METHOD FOR TRANSMITTING DATA THROUGH AN AIR GAP BASED ON INDUCTIVELY COUPLED CIRCUITS EXCITED BY A COMBINATION OF RECTANGULAR PULSES, AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области телеизмерений, в частности к передаче импульсных сигналов через воздушный зазор, и может быть использовано в системах для передачи и приема телеметрической информации от рабочих органов вращающихся узлов и механизмов.
Современные средства телеизмерений на вращающихся объектах в подавляющем большинстве представлены бесконтактными устройствами. В свою очередь, бесконтактные устройства связи с вращающимся измерительным оборудованием базируются в основном на двух принципах. В соответствии с одним из них создаются устройства, предполагающие передачу данных по радиоканалу за счет модуляции того или иного параметра несущего высокочастотного сигнала. Другой принцип предполагает передачу данных через воздушный зазор с помощью импульсных сигналов.
В способах, использующих для передачи данных через воздушный зазор радиоканал, нередко применяют индуктивную связь между передающим (вращающимся) и приемным (неподвижным) элементами системы. Известно реализованное по этому способу устройство, в котором несущее колебание с частотой 13,56 МГц, модулированное оцифрованными сигналами от датчиков на вращающейся части, передается роторной антенной, принимается элементом индуктивной связи и передается в стационарную часть измерительной аппаратуры, которая осуществляет демодуляцию и последующую обработку сигнала [1]. Недостаток этого способа заключается в использование таких элементов радиоканала, как модулятор, демодулятор и фильтр, которые усложняют устройство, вносят дополнительные погрешности, замедляют скорость передачи одного разряда кода данных. Названные недостатки могут быть исключены при другом способе передачи сигнала - в импульсной форме. К тому же радиоканал небезупречен в плане помехозащищенности. Воздействие помех на маломощный радиосигнал будет приводить к искажению кодовых комбинаций, что будет обнаруживаться на стационарной части системы известными методами циклического контроля. В результате искаженная кодовая комбинация будет исключаться из рассмотрения, но вместо нее потребуется получить новое значение данных, а это приводит к снижению скорости передачи системы и к увеличению погрешности восстановления сигнала по его отсчетам.
В устройствах, передающих код данных через зазор в импульсной форме, отсутствует высокочастотный переносчик кодовых посылок данных, передаваемых с вращающейся части системы в ее стационарную часть [2], и, как следствие, они лишены недостатков устройств на основе радиоканала, перечисленных выше. В частности, один из способов этой группы [2] (с. 17-21) предполагает, что передача данных через воздушный зазор осуществляется короткими импульсами прямоугольной формы, соответствующими единичным разрядам информационного кода, которые возбуждают первичный (вращающийся) контур индуктивно связанных контуров (ИСК). Имея достаточную амплитуду, эти импульсы возбуждения наводят на вторичном (неподвижном) контуре, отделенном от вращающегося контура воздушным зазором, сигналы, пригодные для принятия решения о том, что было передано в данном разряде кода - ноль или единица. Известный способ отличается простотой реализации и достаточно высокой надежностью, но получаемый при его реализации сигнал на выходе ИСК представляет собой суперпозицию двух откликов ИСК на разнополярные скачки тока возбуждения (соответственно - на передний и задний фронты прямоугольного импульса), а потому имеет большую длительность, которая может быть сокращена при другом способе импульсного возбуждения ИСК - с помощью экспоненциальных импульсов.
Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ передачи данных через воздушный зазор [3]. Он предполагает, что получаемые на вращающейся части измерительной системы информационные кодовые посылки прямоугольной формы подают через повторитель (усилитель посылок по мощности) на дифференцирующую цепь, отсекают ограничителем один из двух разнополярных импульсов экспоненциальной формы, например импульс отрицательной полярности, а импульс другой, положительной, полярности, подают на формирователь импульсного сигнала возбуждения первичного контура индуктивно связанных контуров. В результате такого возбуждения вращающегося контура сигналом экспоненциальной формы на выходе неподвижного контура, отделенного воздушным зазором от вращающегося, формируют короткий сигнал, имеющий положительную полуволну и заметно уступающую ей по амплитуде отрицательную полуволну, который пригоден для принятия решения относительно переданного через воздушный зазор значения разряда кода.
Недостатком известного способа (прототипа) является низкое быстродействие, обусловленное характером переходного процесса, вызываемого на выходе стационарного контура экспоненциальным сигналом, воздействующим на вращающийся контур. Реакция ИСК на экспоненциальный сигнал состоит из двух полуволн разной полярности, причем вторая полуволна отличается довольно медленным стремлением к нулю (затуханием). Можно существенно сократить длительность кодовых посылок на вторичном контуре, т.е. продолжительность переходного процесса, если использовать другой способ возбуждения связанных контуров, не уменьшив при этом амплитуду полезного сигнала прототипа.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем.
На вращающейся части измерительной системы для каждого единичного разряда кода данных формируют короткий импульс, длительность которого определяется параметрами исходной кодовой посылки и связанных контуров. Его подают на первый вход элемента ИЛИ и вход первого элемента задержки на время длительности короткого импульса. Выход первого элемента задержки соединяют со входом расширителя, который увеличивает длительность короткого импульса до утроенного значения его длительности, а также со входом второго элемента задержки на время, равное длительности расширенного импульса. Выход второго элемента задержки соединяют со вторым входом элемента ИЛИ, выход которого подключают ко входу формирователя отрицательного импульса возбуждения первичного контура ИСК. Выход расширителя длительности соединяют со входом формирователя положительного импульса возбуждения первичного контура ИСК. В результате описанных действий при наличии единицы в коде данных на вращающийся контур воздействует возбуждающий сигнал, представляющий собой комбинацию из трех прямоугольных импульсов, имеющих одинаковую по модулю амплитуду. Первый из них имеет отрицательную полярность и длительность, равную длительности короткого импульса; второй прямоугольный импульс, идущий сразу после первого, имеет положительную полярность и длительность, равную утроенной длительности короткого импульса; третий прямоугольный импульс, идущий сразу после второго, имеет отрицательную полярность и длительность, равную длительности короткого импульса. В результате воздействия такого комбинированного сигнала на первичный контур ИСК длительность их реакции на вторичном контуре окажется меньше, чем длительность реакции ИСК на экспоненциальный сигнал в прототипе. Способ достижения уменьшения длительности реакции ИСК за счет выполнения предложенных выше действий с импульсного сигналами, управляющими возбуждением первичного контура ИСК, поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг. 1, а эпюрой 1 представлен импульс kod прямоугольной формы, соответствующий единичному разряду кода данных. На его основе в прототипе для управления формирователем возбуждающего воздействия, подаваемого на первичный контур ИСК, создают импульс expi экспоненциальной формы (эпюра 1 на фиг. 1, б). Импульс expi соответствует переднему фронту прямоугольного импульса kod, и его получают в результате дифференцирования импульса kod. Экспоненциальный импульс, соответствующий заднему фронту kod в прототипе не используется (отсекается ограничителем) и не показан. Формирователь импульсного сигнала возбуждения усиливает его по мощности, не изменяя формы. На фиг. 1, в представлен сигнал ge (эпюра 1), формируемый на выходе неподвижного контура ИСК в ответ на импульс возбуждения экспоненциальной формы. Реакция ИСК получена для коэффициента 0.5 связи между контурами, нормированной длительности импульса expi 0.5 с и единичной амплитуды экспоненциального сигнала. В стационарной аппаратуре решение о значении переданного разряда кода принимают, например, одним из методов пороговой обработки.
В предлагаемом способе на вращающейся части системы по переднему фронту импульса kod, соответствующего единичному разряду информационного кода, формируют короткий прямоугольный импульс ki, представленный эпюрой 2 на фиг. 1, а. Его длительность в 5 раз меньше длительности экспоненциального импульса expi. Этот сигнал подают на первый элемент задержки, время задержки которого равно длительности короткого импульса, а также на первый вход элемента ИЛИ. Сигнал dl с выхода первого элемента задержки (эпюра 3 на фиг. 1, а) подают на вход второго элемента задержки, время задержки которого равно утроенному значению длительности короткого импульса, а также на вход расширителя до такого же, т.е. утроенного, значения его длительности. С выхода второго элемента задержки короткий импульс подают на второй вход элемента ИЛИ - эпюра 5 на фиг. 1, а. С выхода расширителя сигнал ras (эпюра 4 на фиг. 1, а) передают на вход формирователя положительного импульса возбуждения первичного контура ИСК, выходной сигнал которого представлен эпюрой 7 на фиг. 1, а. Сигнал с выхода элемента ИЛИ (эпюра 6 на фиг. 1, а) подают на вход формирователя отрицательного импульса возбуждения названного выше контура, сигналы на выхода которого представлены эпюрой 8 на фиг. 1, а. В результате описанных действий на вращающийся контур ИСК воздействует комбинированный сигнал kpi (эпюра 2 на фиг. 1, б), имеющий такую же длительность, что и экспоненциальный сигнал expi в прототипе, и такой же размах. На фиг. 1, в эпюра 1 характеризует реакцию ge ИСК на экспоненциальный импульс, а эпюра 2 на той же фигуре - реакцию r ИСК на предлагаемое комбинированное воздействие. Вид приведенных реакций ИСК свидетельствует о том, что комбинированное воздействие вызывает более короткую по времени реакцию, которая и является тем сигналом, по которому судят о значении разряда кода данных. На фиг. 2, а приведены эпюры, позволяющие количественно оценить выигрыш предлагаемого способа возбуждения в сравнении с прототипом. Левая из эпюр показывает, как зависит отношение длительности реакции dge на экспоненциальный импульс к длительности dr на комбинацию прямоугольных импульсов от длительности τ сигнала возбуждения при фиксированном коэффициенте k связи между контурами, равном 0.5. Правая эпюра на фиг. 2, а показывает аналогичную зависимость от коэффициента связи k при фиксированной длительности входного воздействия τ, равного 0.5 с. Итак, предлагаемый способ возбуждения ИСК имеет преимущество в быстродействии перед прототипом. Но является ли он наилучшим из возможных вариантов комбинирования прямоугольных импульсов в возбуждающем сигнале? Ответ на вопрос дают эпюры, приведенные на фиг. 2, б. На эпюрах 1 и 2, расположенных слева, показаны зависимости отношения длительности реакций на комбинации, в которых короткие импульсы составляют одну четвертую или одну шестую от длительности τ (d5_14 и d5_16 соответственно) к длительности реакции в предложенном способе при значении коэффициента связи между контурами k=0.5-d5_15 (здесь 15 символизирует тот факт, что короткие импульсы в составе комбинации составляют по одной пятой длительности всего возбуждающего сигнала). Эпюры 3 и 4 на фиг. 2, б показывают аналогичные зависимости для другого значения коэффициента связи - k=0.4. Эпюры позволяют сделать вывод о том, что для значений длительности τ возбуждающего воздействия из используемого на практике диапазона 0.4÷0.5 с наименьшей длительностью обладает реакция, вызванная предложенным способом возбуждения.
На фиг. 3 приведена структурная схема устройства реализации предложенного способа передачи данных через воздушный зазор на основе индуктивно связанных контуров, возбуждаемых комбинацией прямоугольных импульсов, а на фиг. 1 и 2 - эпюры, поясняющие его работу.
Для достижения технического результата, заключающегося в повышении скорости передачи разрядов кода данных, в устройство, содержащее на его вращающейся части формирователь положительного импульса возбуждения, выход которого соединен с первичным контуром индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых расположен на неподвижной части устройства и отделен от первичного контура воздушным зазором, введены на вращающейся части формирователь короткого импульса, первый элемент задержки, второй элемент задержки, элемент ИЛИ, расширитель и формирователь отрицательного импульса возбуждения. Вход формирователя короткого импульса является входом устройства, его выход соединен со входом первого элемента задержки и первым входом элемента ИЛИ. Выход первого элемента задержки соединен со вход расширителя, а также через второй элемент задержки со вторым входом элемента ИЛИ. Выход элемента ИЛИ соединен со входом формирователя отрицательного импульса возбуждения. Выход расширителя соединен со входом формирователя положительного импульса возбуждения. Выходы формирователей положительного и отрицательного импульса возбуждения соединены с первичным контуром. Выходом устройства является выход вторичного контура.
Устройство для реализации предложенного способа передачи данных через воздушный зазор содержит вращающуюся часть 1, неподвижную часть 2 и воздушный зазор 3. Вращающаяся часть 1 содержит формирователь 4 короткого импульса, первый элемент задержки 5, второй элемент задержки 6, расширитель 7, элемент ИЛИ 8, формирователь отрицательного импульса возбуждения 9, формирователь положительного импульса возбуждения 10, первичный контур И индуктивно связанных контуров 13 и их вторичный контур 12.
Входом устройства является вход формирователя 4 короткого импульса, расположенного на вращающейся части 1, на который поступают разряды кода данных. Его выход соединен со входом первого элемента задержки 5 и с первым входом элемента ИЛИ 8. Выход первого элемента задержки 5 соединен со входом второго элемента задержки 6 и со входом расширителя 7. Выход второго элемента задержки 6 соединен со вторым входом элемента ИЛИ 8, выход которого соединен со входом формирователя 9 отрицательного импульса возбуждения, выход которого подключен к первичному контуру И индуктивно связанных контуров 13. Выход расширителя 7 соединен со входом формирователя 10 положительного импульса возбуждения, выход которого подключен к первичному контуру 11. Выход вторичного контура 12, размещенного на неподвижной части 2, отделенной от вращающейся части 1 воздушным зазором 3, является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. На вращающейся части 1 на вход устройства поступают кодовые посылки данных прямоугольной формы. Если разряд информационного кода содержит единицу (эпюра 1 на фиг. 1, а), то по переднему фронту импульса кода в формирователе 4 генерируется короткий импульс (эпюра 2 на фиг. 1, а), длительность которого определяется требуемыми параметрами сигнала на выходе вторичного контура 12. Короткий импульс поступает на первый вход элемента ИЛИ 8 и на вход первого элемента задержки 5, который задерживает его на время действия короткого импульса. С выхода первого элемента задержки короткий импульс (эпюра 3 на фиг. 1, а) поступает на вход второго элемента задержки 6, который задерживает его на утроенное значение длительности короткого импульса (эпюра 5 на фиг. 1, а), и на вход расширителя 7, который увеличивает его длительность в три раза (эпюра 4 на фиг. 1, а). С выхода второго элемента задержки 6 короткий импульс поступает на второй вход элемента ИЛИ 8, на выходе которого получается комбинация из двух коротких импульсов, разделенных паузой, равной длительности трех коротких импульсов (эпюра 6 на фиг. 1, а). Под воздействием импульса с выхода расширителя 7 формирователь 10 положительного импульса возбуждения вырабатывает прямоугольный импульс положительной полярности (эпюра 7 на фиг. 1, а), подаваемый на первичный контур 11 индуктивно связанных контуров 13. На него же, но в другие моменты времени, подаются прямоугольные импульсы отрицательной полярности (эпюра 8 на фиг. 1, а) с выхода формирователя 9 отрицательного импульса возбуждения, получаемые из поступающих на его вход сигналов с выхода элемента ИЛИ 8 (эпюра 6 на фиг. 1, а). В ответ на сформированную описанным способом комбинацию разнополярных импульсов возбуждения на входе первичного контура 11, представленную эпюрой 2 на фиг. 1, 6, на вторичном контуре 12, находящемся на неподвижной части 2, отделенной от вращающейся части 1 зазором 3, сформируется сигнал, представленный эпюрой 2 на фиг. 1, в. Выходной сигнал предложенного устройства позволяет принимать решение о значении разряда кода данных, передаваемого с вращающейся части измерительной системы, и при этом он оказывается короче выходного сигнала прототипа (эпюра 1 на фиг. 1, в), использующего возбуждение ИСК экспоненциальным импульсом.
Технический результат предложенного способа передачи данных через воздушный зазор на основе индуктивно связанных контуров, возбуждаемых комбинацией прямоугольных импульсов, и устройства для его осуществления заключается в том, что достигается увеличение скорости передачи разрядов кода данных, благодаря найденному соотношению длительностей и порядка следования разнополярных прямоугольных импульсов, образующих комплексный сигнал возбуждения связанных контуров.
Литература
1. Брошюра продукции Manner. URL: http://manner-sensortelemetrie.ru/-dokumentaciya/Brochure-production-MANNER(Rus).pdf (дата обращения: 21.01.2022).
2. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов / В.В. Карасев, А.А. Михеев, Г.И. Нечаев; Под ред. Г.И. Нечаева. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с.
3. Зилотова М.А., Карасев В.В., Николаева А.В. Способ передачи данных через воздушный зазор и устройство для его осуществления. Патент РФ №2565527. Бюл. №29, 2015.
СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЧЕРЕЗ ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР НА ОСНОВЕ ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫХ КОНТУРОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ КОМБИНАЦИЕЙ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Расшифровка обозначений к фиг. 3:
1 - вращающаяся часть;
2 - неподвижная часть;
3 - воздушный зазор;
4 - формирователь короткого импульса;
5 - первый элемент задержки;
6 - второй элемент задержки;
7 - расширитель;
8 - элемент ИЛИ;
9 - формирователь отрицательного импульса возбуждения;
10 - формирователь положительного импульса возбуждения;
11 - первичный контур;
12 - вторичный контур;
13 - индуктивно связанные контуры.