СИСТЕМА СБОРА И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ С ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА
SYSTEM FOR GATHERING AND TRANSMITTING INFORMATION FROM ROTATING OBJECT

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля и диагностики технических объектов, в измерительных комплексах, предназначенных для работы с вращающимися объектами.
Известно телеинформационное устройство [1], предназначенное для бесконтактной передачи измерительной информации и энергии питания измерительной аппаратуры на вращающийся объект. В этом устройстве электрическая энергия передается с помощью связанных между собой колебательных контуров, что резко ограничивает мощность передаваемого потока электрической энергии при заданной величине добротности контуров. Так, например, устройство не позволяет передавать на вращающийся объект потоки электрической энергии промышленной частоты (50 Гц, 400 Гц или другой низкой частоты) средней мощности, которые циркулируют в сетях электропитания.
Известны контактные токосъемные устройства [2], [3], предназначенные для электрического соединения между вращающимся и неподвижным объектами. Устройства позволяют непосредственно передавать на вращающийся объект и с него потоки электрической энергии промышленной частоты средней мощности. Однако при этом переходное сопротивление подвижных контактов токосъемного устройства имеет значительную нестабильность, зависящую от частоты вращения объекта и температуры окружающей среды [4]. Непосредственно на подвижных контактах токосъемного устройства в силу специфических физико-химических процессов возникают шумы и появляется термоЭДС [5]. Все это существенно затрудняет передачу через токосъемное устройство измерительных сигналов низкого уровня и малой мощности.
Задача многократно усложняется, когда одновременно с измерительным сигналом через токосъемное устройство с подвижными контактами необходимо передавать мощный поток электрической энергии промышленной частоты. В этом случае переходное сопротивление подвижных контактов оказывается общим для силовых сильноточных цепей и для чувствительных измерительных цепей. Силовые токи создают на нестабильном переходном сопротивлении подвижных контактов нестабильное по величине падение напряжения, которое оказывается включенным непосредственно в контур протекания маломощных измерительных токов. Это напряжение вместе с шумами и термоЭДС токосъемного устройства препятствует передаче измерительных сигналов через подвижные контакты и приводит к недопустимо большим погрешностям.
Кроме того, спектры измерительных сигналов и напряжения в сети электропитания могут перекрываться, что также приводит к недопустимым искажениям сигналов.
Известно устройство [6], в котором подлежащий передаче по проводной линии связи сигнал предварительно модулирует высокочастотный синусоидальный сигнал, и передача информации производится этим высокочастотным сигналом. Устройство имеет автономный генератор несущей частоты и позволяет разнести по частоте спектр передаваемого сигнала и частотные составляющие напряжения сети электропитания, осуществляет гальваническую развязку измерительных цепей и сети электропитания. Однако в процессе передачи через токосъемное устройство силовых токов сети электропитания на чувствительные цепи измерительного сигнала воздействуют гармонические составляющие силовых токов этой сети. Каждая из гармоник из-за нестабильности относительно несущей частоты модулированного колебания смещается случайным образом и занимает во времени по отношению к ней некоторый частотный диапазон. Гармонические составляющие, находящиеся по частоте в непосредственной близости от спектра модулированного сигнала, накладываются случайным образом на этот спектр и искажают полезный сигнал.
Известна также система [7], наиболее близкая по своей сущности к заявляемому техническому решению. Она выбрана в качестве прототипа. В ней, как и в предшествующем устройстве, для передачи измерительного сигнала используется модуляция этим сигналом высокочастотного синусоидального колебания. Однако генератор несущей частоты выполняют не как автономное устройство, а в виде управляемого источника колебаний, настроенного на частоту mF, где F - частота напряжения в сети электропитания, m - ее гармоника, выбираемая из диапазона значений от 10 до 20000. Для этого управляемый генератор несущей частоты выполняют в виде цепи фазовой автоподстройки частоты, которая содержит соединенные в кольцо подстраиваемый генератор несущей частоты, делитель частоты, фазовый детектор и петлевой фильтр. Вход синхронизации цепи (опорный вход фазового детектора) подключают через блок согласования к сети электропитания.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение условий для одновременной передачи измерительных сигналов и тока промышленной частоты (50 Гц, 400 Гц или любой другой низкой частоты) сетевого электропитания через токосъемное устройство с подвижными контактами, для безопасной работы с измерительными цепями при этом.
И
П
1
Цель достигается тем, что в известную систему согласно заявляемому техническому решению дополнительно включают токосъемное устройство с двумя подвижными контактами, согласующий усилитель, полосовой фильтр, блок сбора и преобразования информации, который имеет вход управления и информационные входы, являющиеся информационными входами системы, блок распределения сигналов, выходы которого являются информационными выходами системы, селектор синхроимпульсов и два конденсатора. При этом электрическую схему источника сетевого электропитания представляют как последовательное соединение источника напряжения и внутреннего сопротивления источника сетевого электропитания R, а потребитель сетевого электропитания представляют его внутренним сопротивлением R. Величину емкости первого вновь введенного конденсатора С выбирают из условия:
2
Величину емкости второго вновь введенного конденсатора С выбирают из условия:
ГР
где ω - круговая частота напряжения в сети электропитания, ω - нижняя граничная частота в спектре модулированного сигнала, подлежащего передаче.
В качестве блока согласования используют трансформатор или какое-либо другое устройство, позволяющее гальванически разделить подключаемые к нему цепи. В качестве выходного блока сопряжения применяют первый высокочастотный трансформатор. В качестве входного блока сопряжения используют второй высокочастотный трансформатор. Включают трансформаторы таким образом, чтобы образовался замкнутый контур из следующих соединенных последовательно элементов: источник напряжения, внутреннее сопротивление источника сетевого электропитания, первичная обмотка второго высокочастотного трансформатора, второй контакт токосъемного устройства, вторичная обмотка первого высокочастотного трансформатора, внутреннее сопротивление потребителя сетевого электропитания, первый контакт токосъемного устройства.
Кроме того, параллельно внутреннему сопротивлению потребителя сетевого электропитания подключают первый конденсатор, а также входную цепь блока согласования. Второй конденсатор подключают к выходным клеммам источника сетевого электропитания. При этом выход блока согласования соединяют с входом синхронизации управляемого генератора несущей частоты. Выход этого генератора соединяют с входом модулятора. К выходу модулятора подключают через согласующий усилитель первичную обмотку первого высокочастотного трансформатора, а управляющий вход модулятора соединяют с выходом блока сбора и преобразования информации. Вторичную обмотку второго высокочастотного трансформатора подключают через полосовой фильтр к демодулятору, выход которого подсоединяют к входу блока распределения сигналов и к входу селектора синхроимпульсов. Выход селектора синхроимпульсов подключают к входу синхронизации блока распределения сигналов.
Согласно заявляемому техническому решению через токосъемное устройство вместе с током сети электропитания передают не сам измерительный сигнал, а высокочастотный синусоидальный сигнал, модулированный измерительным сигналом. В общем случае с помощью модуляции осуществляется перенос спектра модулирующего сигнала в более высокочастотную область. В заявляемом техническом решении модуляция высокочастотного сигнала измерительным сигналом позволяет разнести по частоте спектр измерительного сигнала и частотные составляющие напряжения сети электропитания, ослабить влияние спектральных составляющих сети на измерительный сигнал. Кроме того, перенос спектра измерительного сигнала в высокочастотную область дает возможность использовать высокочастотные трансформаторы и с их помощью осуществить гальваническое разделение измерительных цепей и силовых цепей сети электропитания. При этом высокочастотные трансформаторы обладают сравнительно малой индуктивностью обмоток, что в значительной мере препятствует передаче через них низкочастотных помех и напряжения сети электропитания. В заявляемой системе это позволяет существенно снизить влияние низкочастотных помех на погрешность передачи высокочастотного модулированного сигнала через токосъемник. К таким помехам можно отнести падение напряжения на нестабильном сопротивлении подвижных контактов, термоЭДС этих контактов, низкочастотную часть спектра шумов подвижных контактов. К тому же в рассматриваемой системе трансформаторы защищают чувствительные измерительные цепи от попадания на них повышенного сетевого напряжения электропитания и с этих позиций делают работу с измерительными цепями безопасной.
1
2
Подключение параллельно потребителю и источнику энергии сети электропитания дополнительных конденсаторов С, С, величину емкостей которых выбирают из условий (1), (2), дает возможность передавать модулированный синусоидальный сигнал с первого высокочастотного трансформатора на второй без существенных потерь на внутренних сопротивлениях этих элементов. При этом изменения по величине шунтируемых внутренних сопротивлений источника и потребителя сетевого электропитания не приводит к дополнительной погрешности передачи высокочастотного модулированного сигнала. А в случае отключения потребителя или источника, дополнительные конденсаторы сохраняют неразрывной цепь прохождения высокочастотного модулированного сигнала. В то же время емкости дополнительных конденсаторов настолько малы, что не оказывают существенного влияния на распределение низкочастотных токов сети электропитания.
В структуре заявляемой системы, также как в прототипе, используется фазовая автоподстройка частоты. Поскольку частота напряжения силовой сети электропитания имеет нестабильность, то за счет фазовой автоподстройки генератора несущей его частота становится “плавающей”, следящей за частотой сети электропитания. При этом частоты помех - гармоник сетевого напряжения жестко фиксируются относительно частоты несущего колебания. Спектр модулированного сигнала располагается на частоте m-й гармоники и занимает полосу между m-1 и m+1 гармониками. В этом случае помехоустойчивость системы за счет фазовой автоподстройки частоты несущей существенно возрастает. Если же в системе используется широкополосный вид модуляции и спектр модулированного сигнала выходит за пределы полосы между m-1 и m+1 гармониками, то эффективность применения фазовой автоподстройки несущей частоты несколько снижается. Однако помехоустойчивость системы при этом остается все же выше, чем в аналогичной системе при отсутствии фазовой автоподстройки, так как в заявляемой системе отсутствуют биения и соответствующие им комбинационные частоты.
Вновь введенный согласующий усилитель, который включают между модулятором и первым высокочастотным трансформатором, согласует выходное и входное сопротивления этих звеньев системы и обеспечивает необходимое значение напряжения полезного сигнала при передаче его через токосъемное устройство.
Полосовой фильтр препятствует прохождению в чувствительные измерительные цепи не только гармонических составляющих сетевого напряжения электропитания, но и шумов контактного токосъемного устройства, термоЭДС этого устройства и падения напряжения на переходном сопротивлении подвижных контактов. Ширина полосы пропускания фильтра при этом должна быть согласована со спектром модулированного высокочастотного сигнала и выбор ее должен учитывать возможное смещение несущей частоты за счет фазовой автоподстройки.
Таким образом, модуляция измерительным сигналом высокочастотного синусоидального сигнала, выполнение генератора несущей частоты в виде управляемого источника колебаний, синхронизируемого от сети электропитания, обработка модулированного колебания полосовым фильтром, гальваническое разделение измерительных цепей и цепей сети электропитания, шунтирование конденсаторами внутренних сопротивлений источника и потребителя сетевого электропитания - все это значительно повышает помехоустойчивость передачи измерительного сигнала через подвижные контакты и обеспечивает необходимые условия для одновременной передачи через токосъемное устройство измерительного сигнала и тока промышленной частоты сетевого электропитания. В то же время применение трансформаторов защищает измерительные цепи от попадания на них напряжения сети электропитания, делает работу с измерительными цепями безопасной даже в тех случаях, когда в сети электропитания используют повышенное напряжение.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию “новизна”.
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки заявляемого технического решения в предложенной совокупности. Таким образом, заявляемая система передачи информации с вращающегося объекта удовлетворяет критерию “изобретательский уровень”.
Заявляемая система позволяют, в частности, передавать измерительную информацию с вращающегося объекта без установки дополнительных токосъемных устройств, используя те из них, которые уже применяются для передачи на вращающийся объект или с него различного рода потоков электрической энергии. При этом обеспечиваются необходимые условия для передачи измерительных сигналов, для безопасной работы с измерительными цепями. Таким образом, заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию “промышленная применяемость”.
Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, где изображена блок-схема системы передачи информации с вращающегося объекта.
На схеме использованы следующие обозначения: 1 - блок согласования, 2 - управляемый генератор несущей частоты, 3 - внутреннее сопротивление потребителя сетевого электропитания, 4 - вход управления блока сбора и преобразования информации, 5 - модулятор, 6 - блок сбора и преобразования информации, 7 - информационные входы системы, 8 - первый конденсатор, 9 - первый высокочастотный трансформатор, 10 - согласующий усилитель, 11 - первый контакт токосъемного устройства, 12 - второй контакт токосъемного устройства, 13 - второй высокочастотный трансформатор, 14 - полосовой фильтр, 15 - демодулятор, 16 - блок распределения сигналов, 17 - информационные выходы системы, 18 - второй конденсатор, 19 - селектор синхроимпульсов, 20 - источник напряжения, 21 - внутреннее сопротивление источника сетевого электропитания.
Сеть электропитания в заявляемой системе образует замкнутый контур из последовательно соединенных элементов. В этот контур входит источник напряжения 20, внутреннее сопротивление источника сетевого электропитания 21, первичная обмотка второго высокочастотного трансформатора 13, второй контакт токосъемного устройства 12, вторичная обмотка первого высокочастотного трансформатора 9, внутреннее сопротивление потребителя сетевого электропитания 3, первый контакт токосъемного устройства 11. Параллельно внутреннему сопротивлению потребителя сетевого электропитания 3 подключают первый конденсатор 8 и входную цепь блока согласования 1. К выходным клеммам источника сетевого электропитания подключают второй конденсатор 18. Выход блока согласования 1 соединяют с входом синхронизации управляемого генератора несущей частоты 2, выход которого соединяют с входом модулятора 5. К выходу модулятора 5 подключают через согласующий усилитель 10 первичную обмотку высокочастотного трансформатора 9. Управляющий вход модулятора 5 соединяют с выходом блока сбора и преобразования информации 6. Вторичную обмотку второго высокочастотного трансформатора 13 подключают через полосовой фильтр 14 к демодулятору 15. Выход демодулятора 15 подключают к входу блока распределения сигналов 16 и к входу селектора синхроимпульсов 19. Выход селектора синхроимпульсов 19 подключают к входу синхронизации блока распределения сигналов 16. Выходы 17 блока распределения сигналов 16 являются информационными выходами всей системы. Входы 7 блока сбора и преобразования информации 6 являются информационными входами системы.
Система работает следующим образом. Блок сбора и преобразования информации 6 производит первичную обработку измерительных сигналов, поступающих непосредственно с датчиков. С этой целью в блок 6 вводят необходимые известные технические средства. Кроме того, блок 6 содержит коммутатор каналов, реализующий известными техническими средствами принцип временного уплотнения каналов с амплитудно-импульсной модуляцией сигналов. При других видах импульсной модуляции в состав блока 6 вводят дополнительно соответствующий преобразователь, а при кодоимпульсной модуляции (КИМ) используют аналого-цифровой преобразователь. Коммутатор работает в автоматическом режиме циклической синхронизации, поочередно опрашивая датчики и формируя в конце (или в начале) каждого цикла синхроимпульс с вполне определенными отличительными признаками. Для этого в структуре коммутатора используют соответствующий формирователь. Вход управления 4 блока 6 позволяет при необходимости в режиме покоя, когда вращение объекта не производится, задавать необходимый режим работы коммутатора (изменять частоту опроса датчиков, очередность подключения их к преобразователю и прочее).
С выхода блока 6 многоканальный сигнал подают на вход модулятора 5, в котором этим сигналом модулируют (манипулируют) сигнал несущей частоты, поступающий от управляемого генератора несущей частоты 2. Управляемый генератор 2 может быть выполнен известным способом [7] в виде цепи фазовой автоподстройки частоты, которая содержит соединенные в кольцо подстраиваемый генератор, делитель частоты, фазовый детектор и петлевой фильтр. При этом опорный вход фазового детектора такой цепи используют как вход управления, на который подают выходной сигнал блока согласования 1. На входную цепь блока 1 подают напряжение сети электропитания. Блок согласования 1 обеспечивает гальваническую развязку собственной входной и выходной цепи, а также осуществляет согласование напряжения сети электропитания с входом управления блока 2.
Модуляция (манипуляция) высокочастотного синусоидального сигнала в блоке 5 может осуществляться известными методами как по одному из параметров его (по амплитуде, частоте или фазе), так и по нескольким параметрам одновременно, в том числе с использованием квадратуры или фазоразностной модуляции.
В зависимости от вида модуляции (манипуляции) и ее параметров на выходе блока 5 может быть сформирован как узкополосный, так и широкополосный спектр сигнала. Как правило, этот спектр размещается симметрично относительно несущей частоты mF, где F - частота сети электропитания, m - номер гармоники частоты сети электропитания, который выбирают из диапазона от 10 до 20000. Сформированный таким образом модулированный сигнал доводят по мощности до необходимого уровня с помощью согласующего усилителя 10 и вводят через первый высокочастотный трансформатор 9 в силовую сеть электропитания. Усилитель 10 обеспечивает при этом согласование сопротивлений входной цепи трансформатора 9 и выходной цепи модулятора 5. При большом сечении провода сети электропитания обмотки высокочастотных трансформаторов 9, 13, включаемые в цепь сети электропитания, могут быть реализованы путем “нанизывания” кольцевых сердечников трансформаторов на этот провод.
По силовой сети электропитания модулированный высокочастотный сигнал поступает через подвижные контакты 11, 12 токосъемного устройства, через конденсаторы 8, 18 на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 13. С вторичной обмотки этого трансформатора модулированный сигнал проходит на вход полосового фильтра 14, полоса пропускания которого согласована со спектром полезного сигнала. Фильтр 14 без существенных искажений пропускает модулированный сигнал, однако, препятствует при этом прохождению в чувствительные измерительные цепи гармонических составляющих сетевого напряжения электропитания, лежащих за пределами полосы пропускания фильтра, шумов контактного токосъемного устройства, термоЭДС этого устройства, нестабильного напряжения, возникающего на переходном сопротивлении подвижных контактов. Далее модулированный сигнал поступает на демодулятор 15, где высокочастотный сигнал преобразуется известными методами в многоканальный сигнал с импульсным видом модуляции или с КИМ, если используется цифровое представление сигналов. С выхода демодулятора 15 многоканальный сигнал проходит одновременно на вход селектора синхроимпульсов 19 и на блок распределения сигналов 16. Блок 16 производит распределение сигналов отдельных каналов по своим выходным шинам 17. Для этого в состав блока 16 вводят декоммутатор с синхронизируемым генератором тактовых импульсов (ГТИ), реализуемый известными техническими средствами. Сигнал синхронизации подают на вход синхронизации декоммутатора с селектора синхроимпульсов 19, который выявляет и восстанавливает форму синхроимпульсов. Синхронизация блока 16 может осуществляться и с помощью известной [7] цепи фазовой автоподстройки частоты, в контур управления которой включают ГТИ декоммутатора, а импульсы синхронизации подают на опорный вход фазового детекторы цепи фазовой автоподстройки частоты.
Источники информации
1. Патент РФ №2023308 С1, 20.05.1991.
2. Карасев В.В., Михеев А.А., Нечаев Г.И. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов. М.: Энергоатомиздат, 1996, с.8-9.
3. Патент РФ №2165123 С1, 23.11.1999.
4. Дъяченко В.А., Тимофеев А.И. Многоканальные ртутные измерительные токосъемы // Измерительная техника, 1984, №9, с.34-35.
5. Одинец С.С, Топилин Г.Е. Средства измерения крутящего момента. М.: Машиностроение, 1977.
6. Самойлов Л.К., Тяжкун С.П. Приемо-передающие устройства проводных линий связи информационных систем. М.: Радио и связь, 1989, рис.2.19.
7. Патент РФ №2178952 С1. 10.04.2001.