Способ передачи и приема данных через воздушный зазор на основе индуктивно связанных контуров, возбуждаемых прямоугольными импульсами разной полярности, и устройство для его осуществления
METHOD OF TRANSMITTING AND RECEIVING DATA THROUGH AN AIR GAP BASED ON INDUCTIVELY COUPLED CIRCUITS EXCITED BY RECTANGULAR PULSES OF DIFFERENT POLARITY, AND A DEVICE FOR REALIZING SAID

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.
Для передачи информации от датчиков, расположенных на вращающихся узлах и механизмах, используются разные способы связи между вращающейся и неподвижной частями измерительной аппаратуры [1].
Современные бесконтактные способы связи с вращающимся оборудованием можно разбить на две большие группы. К одной группе относятся способы, предполагающие передачу данных по радиоканалу за счет модуляции того или иного параметра несущего высокочастотного сигнала. К другой группе относятся методы, позволяющие передавать через воздушный зазор сигналы в импульсной форме.
Способы первой группы представлены устройствами, которые обычно называют радиотелеметрическими системами (РТС). РТС могут отличаться друг от друга способом организации радиосвязи между вращающейся и неподвижной частями системы.
В способах первой группы для передачи данных через воздушный зазор широко используется индуктивная связь между передающим и приемным элементами системы, посредством которой, например, несущее колебание с частотой 13,56 МГц, модулированное оцифрованными сигналами от датчиков на вращающейся части, принимается и демодулируется в стационарной части измерительной аппаратуры [2]. Недостатком этого способа является использование в тракте передачи информации элементов радиоканала: модулятора, демодулятора и фильтра, которые усложняют устройство, вносят дополнительные погрешности, замедляют скорость передачи одного разряда кода данных и при другом способе передачи сигнала - в импульсной форме - могут быть исключены. Кроме того, как это отмечают сами разработчики РТС [2] (с. 24), 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.
Способы второй группы представлены устройствами, в которых отсутствует высокочастотный переносчик кодовых посылок данных, передаваемых с вращающейся части системы в ее стационарную часть [1], и, как следствие, в них отсутствуют указанные выше недостатки РТС. В частности, один из способов этой группы [1] (с. 17-21) предполагает, что передача данных через воздушный зазор осуществляется посредством возбуждения короткими импульсами прямоугольной формы требуемой амплитуды первичного вращающегося контура индуктивно связанных контуров (ИСК). На вторичном неподвижном контуре, отделенном от вращающегося контура воздушным зазором, формируются сигналы, пригодные для принятия решения о том, что было передано в данном разряде кода - ноль или единица. Способ прост и надежен, 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], заключающийся в том, что получаемые на вращающейся части измерительной системы информационные кодовые посылки прямоугольной формы подают через повторитель (усилитель посылок по мощности) на дифференцирующую цепь, отсекают ограничителем из двух разнополярных импульсов экспоненциальной формы импульс одной полярности, например отрицательной, а импульс другой полярности, например положительной, подают на формирователь импульсного сигнала возбуждения первичного контура индуктивно связанных контуров. В результате такого возбуждения контуров 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 значения разряда кода.
Недостатком известного способа (прототипа) является низкая помехозащищенность, обусловленная тем, что амплитуда сигналов на выходе связанных контуров, формируемых под воздействием возбуждающих первичный контур ИСК импульсов экспоненциальной формы, получается небольшой. При этом известный способ негласно предполагает, что восстановление принятого на неподвижном контуре сигнала основано на его пороговой обработке и использование с этой целью второй его полуволны не предлагается. Можно существенно увеличить амплитуду второй полуволны сигналов, передаваемых через воздушный зазор, сделав ее практически равной амплитуде их первой полуволны, и учитывать ее при восстановлении кодовых посылок наравне с первой полуволной, если использовать другой способ возбуждения связанных контуров, дополнив его адекватным способом восстановления, практически сохранив при этом достоинство прототипа - его высокое быстродействие.
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 вход формирователя положительного импульса возбуждения первичного контура ИСК, а также через элемент задержки на время, равное длительности короткого импульса, - на вход формирователя отрицательного импульса возбуждения этого же контура. В результате описанных действий при наличии единице в коде данных на выходе неподвижного контура формируют сигнал, имеющий первую и вторую полуволны с близкими по амплитуде параметрами. Положительную полуволну принятого сигнала сравнивают с выбранным порогом (обычно это половина амплитуды полуволны) на первом компараторе, а отрицательную полуволну сравнивают с отрицательным значением названного ранее порога на втором компараторе. На выходах компараторов получают единичные сигналы в моменты времени, когда полуволны превышают по абсолютной величине пороговые значения. Поскольку сигнал на входах компараторов искажен помехами, вызывающими "дребезг" сигналов на их выходах, выходной сигнал первого компаратора подают на вход установки в единичное состояние первого триггера, а выходной сигнал второго компаратора через логический элемент И, на второй вход которого подан выход первого триггера, - на аналогичный вход второго триггера. Триггеры отсекают "дребезг", вызванный помехами. Сигналом "Сброс", формируемым в конце каждого разряда кода данных, триггеры устанавливают в нулевое состояние. В результате при наличии единицы в разряде кода на выходе второго триггера получают единичный сигнал. При нулевом входном сигнале триггер остается в нулевом состоянии. Вероятность искажения помехой обеих полуволн (предлагаемый способ) гораздо меньше вероятности искажения положительной полуволны (прототип). Следовательно, предлагаемый способ позволяет повысить помехозащищенность передачи данных.
Принцип достижения названного технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с импульсного сигналами, управляющими возбуждением первичного контура ИСК так, что получаемые на их вторичном контуре сигналы позволяют с большей достоверностью принять решение о значении переданного разряда кода поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг. 1, а показан импульс kod прямоугольной формы, соответствующий единичному разряду кода данных. На его основе в прототипе для управления формирователем возбуждающего воздействия, подаваемого на первичный контур ИСК, создается импульс EXPI экспоненциальной формы (эпюра 1 на фиг. 1, б). Формирователь 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. Сигнал имеет положительную и отрицательную полуволны, причем последняя практически в 2 раза меньше по амплитуде первой (реакция ИСК получена для коэффициента 0.5 связи между контурами, нормированной длительности 0.3 и единичной амплитуды экспоненциального сигнала). В стационарной аппаратуре решение о значении переданного разряда кода принимают например одним из методов пороговой обработки.
p
o
0
0
В предлагаемом способе на вращающейся части системы по переднему фронту импульса kod, соответствующего единичному разряду информационного кода, формируют короткий прямоугольный импульс положительной полярности - сигнал pr, представленный эпюрой 2 на фиг. 1, б. Его длительность в 2 раза меньше длительности экспоненциального импульса. Этот сигнал подают на формирователь положительного импульса возбуждения первичного контура ИСК, а также через элемент задержки на время, равное длительности короткого импульса, на формирователь отрицательного импульса возбуждения этого же контура - сигнал pr (эпюра 3 на фиг. 1, б). Под воздействием прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности на неподвижной части системы на выходе вторичного контура ИСК, отделенного воздушным зазором от первичного контура, в идеале формируется сигнал RB, представленный эпюрой 2 на фиг. 1, в (режим работы ИСК и суммарная нормированная длительность возбуждающего сигнала такие же, как и при экспоненциальном возбуждении). Вид полученного сигнала свидетельствует о наличии у него двух разнополярных близких по амплитуде полуволн. При других значениях коэффициента k связи между контурами и нормированной длительности τ возбуждающего сигнала эта близость сохраняется. На фиг 1, г слева эпюра 1 характеризует зависимость отношения модуля |m2rb| амплитуды второй полуволны к амплитуде m1rb первой полуволны, а эпюра 2 - отношения m1rb к амплитуде mge реакции ИСК на экспоненциальное возбуждение от коэффициента связи k при выбранном τ=0.3. На фиг 1, г справа показаны соответствующие зависимости от длительности τ при фиксированном k=0.5: эпюра 3 - для отношения модуля |m2rb| амплитуды второй полуволны к амплитуде m1rb первой полуволны, а эпюра 4 - для отношения m1rb к амплитуде mge реакции ИСК на экспоненциальное возбуждение. Полученный на неподвижной части сигнал, искаженный помехой, имеет вид, представленный на фиг. 2, а - сигнал smes. Его подают на первый и второй компараторы, имеющие пороги +U и -U соответственно. Сигналы k1 и k2 на выходах этих компараторов представлены эпюрами 1 и 3 на фиг. 2, б. Выходной сигнал первого компаратора используют для установки в единичное состояние первого триггера Tg1, выходной сигнал которого представлен эпюрой 2 на фиг. 2, б. Сигнал с выхода второго компаратора подают на один вход элемента И, на другой вход которого подключают выход первого триггера. Выход элемента И (эпюра 4 на фиг. 2, б) используют для установки в единичное состояние второго триггера Tg2, с выхода которого (эпюра 5 фиг. 2, б) получают восстановленный разряд кода. Для восстановления нулевого состояния триггеров используют сигнал "Сброс", формируемый в конце каждого разряда кода данных и подаваемый на соответствующие входы триггеров - сигнал R (эпюра 6 на фиг. 2, б). Из рисунков видно, что дробление сигналов на выходах компараторов из-за воздействия помех не искажает восстановленный сигнал на приемной части. Следовательно, предлагаемый способ передачи данных через воздушный зазор имеет по сравнению с прототипом более высокую помехозащищенность, т.к. в прототипе восстановленный сигнал получают на выходе первого компаратора.
На фиг. 3 приведена структурная схема устройства реализации предложенного способа передачи данных через воздушный зазор с использованием индуктивно связанных контуров, возбуждаемых остроугольным импульсом, а на фиг. 1 и 2 - эпюры, поясняющие его работу.
Для достижения технического результата, заключающегося в повышении помехозащищенности 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, элемент задержки и формирователь отрицательного импульса возбуждения, а на неподвижной части - два компаратора, два триггера, элемент И. Вход формирователя короткого импульса является входом устройства, его выход соединен со входом формирователя положительного импульса возбуждения и со входом элемента задержки, выход которого соединен со входом формирователя отрицательного импульса возбуждения, выход которого соединен с первичным контуром. Вторичный контур соединен с первым входом первого компаратора, выход которого соединен со входом установки в единицу первого триггера, и вторым входом второго компаратора, выход которого через элемент И соединен с аналогичным входом второго триггера. На второй вход первого компаратора подано положительное пороговое напряжение, а на первый вход второго компаратора - такое же по абсолютной величине отрицательное пороговое напряжение. Выход первого триггера соединен со вторым входом элемента И. На входы установки в ноль обоих триггеров в конце каждого разряда кода данных подают сигнал "Сброс". Выход второго триггера является выходом устройства.
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, формирователь 5 положительного импульса возбуждения, первичный контур 6 индуктивно связанных контуров 8, элемент задержки 9, формирователь 10 отрицательного импульса возбуждения. Неподвижная часть 2 содержит первый 11 и второй 12 компараторы, элемент И 13, первый 14 и второй 15 триггеры.
Входом устройства является вход формирователя 4 короткого импульса, расположенного на вращающейся части 1, на который поступают разряды кода данных. Его выход соединен со входом элемента задержки 9 и со входом формирователя 5 положительного импульса возбуждения, выход которого подключен к первичному контуру 6 индуктивно связанных контуров 8. Выход элемента задержки соединен со входом формирователя 10 отрицательного импульса возбуждения, выход которого подключен к первичному контуру. Вторичный контур 7, размещенный на неподвижной части 2, отделенной от вращающейся части 1 воздушным зазором 3, соединен с первым входом первого 11 компаратора и со вторым входом второго 12 компаратора. Выход первого компаратора соединен со входом установки в единицу первого 14 триггера, выход которого соединен с элементом И 13, на другой вход которого подключен выход второго 12 компаратора, а его выход соединен с входом установки в единицу второго 15 триггера, выход которого является выходом устройства. На второй вход первого компаратора подано положительное пороговое напряжение, а на первый вход второго компаратора - отрицательное, равное по модулю положительному. На входы установки в ноль триггеров в конце каждого разряда кода подают сигнал "Сброс".
0
0
0
0
Устройство работает следующим образом. На вращающейся части 1 на вход устройства поступают кодовые посылки данных прямоугольной формы. Если разряд информационного кода содержит единицу (фиг. 1, а), то по переднему фронту импульса кода в формирователе 4 генерируется короткий импульс, под воздействием которого формирователь 5 положительного импульса возбуждения вырабатывает прямоугольный импульс положительной полярности (эпюра 2 на фиг. 1, б), подаваемый на первичный контур 6 индуктивно связанных контуров 8. На него же подается прямоугольный импульс отрицательной полярности (эпюра 3 на фиг. 1, б), сформированный из короткого импульса, задержанного на его длительность элементом задержки 5, формирователем 10 отрицательного импульса возбуждения. В ответ на два разнополярных сигнала возбуждения на вторичном контуре 7, находящемся на неподвижной части 2, отделенной от вращающейся части 1 зазором 3, в идеале сформируется сигнал, представленный эпюрой 2 на фиг. 1, в. Этот же сигнал, искаженный помехами, представлен на фиг. 2, а. Его обрабатывают первым 11 и вторым 12 компараторами с порогами +U и -U соответственно (фиг. 2, а). Если смесь сигнала с помехой превышает порог +U или становится ниже порога -U, то на выходе первого или второго компаратора соответственно формируется единичный сигнал (эпюры 1 и 3 на фиг. 2, б). Первый из них установит первый 14 триггер в единичное состояние (эпюра 2 на фиг. 2, б), а второй через элемент И 13 (эпюра 4 на фиг. 2, б), если в первом триггере зафиксирована единица, - второй 15 триггер (эпюра 5 на фиг. 2, б). Сигнал "Сброс", подаваемый на входы установки в ноль этих триггеров в конце каждого разряда кода, приводит триггеры в исходное состояние.
Технический результат предложенного способа передачи и приема данных через воздушный зазор на основе индуктивно связанных контуров, возбуждаемых прямоугольными импульсами разной полярности, и устройства для его осуществления заключается в том, что достигается увеличение помехозащищенности передачи разрядов кода данных за счет приближения реакции контуров к биполярному сигналу, благодаря найденному способу их возбуждения, и применения элементов памяти при восстановлении посылок.
Литература
1. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов / В.В. Карасев, А.А. Михеев, Г.И. Нечаев; Под ред. Г.И. Нечаева. - М.: Энер-гоатомиздат, 1996. - 176 с.
2. Брошюра продукции Manner. URL: http://manner-sensortelemetrie.ru/-dokumentaciya/Brochure-production-MANNER(Rus).pdf (дата обращения: 10.08.2019).
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 И ПРИЕМА ДАННЫХ ЧЕРЕЗ ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР НА ОСНОВЕ ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫХ КОНТУРОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ РАЗНОЙ ПОЛЯРНОСТИ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Расшифровка обозначений к фиг. 3:
1 - вращающаяся часть;
2 - неподвижная часть;
3 - воздушный зазор;
4 - формирователь короткого импульса;
5 - формирователь положительного импульса возбуждения;
6 - первичный контур;
7 - вторичный контур;
8 - индуктивно связанные контуры;
9 - элемент задержки;
10 - формирователь отрицательного импульса возбуждения;
11 - первый компаратор;
12 - второй компаратор;
13 - элемент И;
14 - первый триггер;
15 - второй триггер.