Способ передачи данных через воздушный зазор с использованием индуктивно связанных контуров, возбуждаемых остроугольным импульсом, и устройство для его осуществления
METHOD AND DEVICE FOR TRANSMITTING DATA THROUGH THE AIR GAP WITH THE USE OF INDUCTIVE RELATED CIRCUITS EXCITED BY AN ACUTE-ANGLE PULSE

Способ передачи данных через воздушный зазор с использованием индуктивно связанных контуров, возбуждаемых остроугольным импульсом, и устройство для его осуществления
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 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, пригодный 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. Можно существенно увеличить амплитуду импульсов, передаваемых через воздушный зазор, если использовать другой способ возбуждения связанных контуров, практически сохранив при этом достоинство прототипа -его высокое быстродействие.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем.
n
На вращающейся части измерительной системы по переднему фронту прямоугольного импульса, соответствующего единице в разряде информационного кода, формируют импульс установки в единичное состояние всех разрядов двоичного счетчика. В результате установки в счетчик заносится максимальный код 2-1, где n - разрядность счетчика. При наличии единицы в разряде информационного кода на вычитающий счетный вход счетчика подают сигналы от генератора тактовых импульсов. Тактовые импульсы последовательно изменяют код счетчика от максимального значения до нуля. Если в текущем разряде информационного кода присутствует ноль, то счетчик остается в нулевом состоянии. Выход счетчика (выходы его двоичных разрядов) соединяют с входом (со входами соответствующих двоичных разрядов) цифроаналогового преобразователя (ЦАП), имеющего такую же разрядность, как и счетчик. На выходе ЦАП получают сигнал с крутым передним фронтом, близким к скачку от нуля до максимального значения, и последующим линейным (ступенчатым) спадом до нуля. Сформированный в результате описанных действий остроугольный импульс подают с выхода ЦАП на вход формирователя импульсного сигнала возбуждения первичного контура ИСК. Такой возбуждающий сигнал остроугольной формы, имеющий необходимую амплитуду, вызовет на вторичном контуре ИСК, отделенном от первичного контура воздушным зазором, сигнал, позволяющий принять решение о значении переданного разряда информационного кода.
Предложенный способ позволяет устранить недостаток известного способа, а именно, увеличить амплитуду передаваемых через воздушный зазор с помощью ИСК сигналов информационного кода за счет возбуждения их остроугольными импульсами по сравнению с амплитудой сигналов, получаемых в известном способе, использующем возбуждение контуров импульсами экспоненциальной формы. Следовательно, предлагаемый способ позволяет повысить помехозащищенность передачи данных.
Принцип достижения названного технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с сигналом, который управляет работой формирователя импульсного сигнала возбуждения первичного контура ИСК, поясняется фигурами 1 и 2.
На фиг. 1, а изображен импульс expi экспоненциальной формы, используемый в прототипе для управления формирователем возбуждающего воздействия, подаваемого на первичный контур ИСК при наличии единицы в разряде информационного кода. Формирователь усиливает сигнал по мощности. На фиг. 1, б представлен сигнал ge, формируемый на выходе неподвижного контура ИСК в ответ на импульс формирователя экспоненциальной формы. Сигнал имеет положительную и отрицательную полуволны. В стационарной аппаратуре принимается решение о значении переданного разряда кода, например одним из методов пороговой обработки.
n
В предлагаемом способе на вращающейся части системы по переднему фронту импульса, соответствующего единичному разряду информационного кода, представленного на фиг. 2, а сигналом kod, формируют короткий импульс установки прямоугольной формы - сигнал iu, показанный на фиг. 2, б. Этим сигналом устанавливают все разряды вычитающего счетчика в единичное состояние, что приводит к формированию на выходе подключенного к счетчику цифроаналогового преобразователя (ЦАП) скачка уровня сигнала от нуля до наибольшего значения - 1 (значение источника опорного сигнала), как показано на фиг. 2, г для сигнала cap.При наличии единицы в разряде информационного кода на счетный вход вычитающего счетчика подают сигналы от генератора тактовых импульсов, то есть счетные импульсы, - сигнал out_I, показанный на фиг. 2, в. С каждым новым импульсом счета код в счетчике уменьшается на единицу, пока не станет равным нулю, что приводит к формированию на выходе ЦАП линейно убывающего сигнала cap ступенчатой формы (фиг. 2, г). Частота f следования сигнала от генератора тактовых импульсов зависит от длительности τ формируемого импульса возбуждения и разрядности n счетчика и ЦАП следующим образом f=(2-1)/τ. На приведенных фигурах τ=0,45 с, а разрядность n=3. С увеличением разрядности n сигнал ступенчатой формы приближается к линейно убывающему сигналу. В результате описанных действий на выходе ЦАП формируется импульс, близкий по форме к остроугольному. Такой сигнал подают на формирователь импульсного сигнала возбуждения первичного контура ИСК. Под его воздействием на неподвижной части системы на выходе вторичного контура ИСК, отделенного воздушным зазором от первичного контура, формируется сигнал г, показанный на фиг. 2, д. Вид этого сигнала свидетельствует о его пригодности для принятия решения о значении переданного разряда кода. Если сигнал такого вида выявляется на вторичном контуре, то это означает, что в данном разряде кода бала передана единица, при его отсутствии - ноль. Сравнивая сигналы на выходе ИСК для разных способов возбуждения их первичного контура, можно сделать вывод о том, что амплитуда m1r первой (положительной) полуволны выходного сигнала в предлагаемом способе, использующем возбуждение остроугольным импульсом (фиг. 2, д), в два раза превышает амплитуду m1ge первой полуволны выходного сигнала, получаемого в прототипе (фиг. 1, б), в котором импульс возбуждения имеет экспоненциальную форму. На фиг. 1, в показана зависимость отношения названных выше амплитуд, обозначенных соответственно m1r и m1ge, от длительности τ возбуждающего импульса при фиксированном значении коэффициента k связи между контурами, равного 0,5. На фиг. 1, г показано, как зависит отношение амплитуд от коэффициента к при фиксированной длительности τ, равной 0,45 с. При этом проигрыш в длительности выходного сигнала по сравнению с прототипом составляет менее 5%. Следовательно, предлагаемый способ передачи данных через воздушный зазор имеет по сравнению с прототипом более высокую помехозащищенность.
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. 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 импульсного сигнала возбуждения, выход которого соединен с первичным контуром индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых, расположенный на неподвижной части устройства и отделенный от первичного контура воздушным зазором, является выходом устройства, введены на вращающейся части формирователь импульса установки, элемент И, генератор тактовых импульсов, вычитающий счетчик и цифроаналоговый преобразователь. Вход формирователя импульса установки является входом устройства и соединен с одним входом элемента И, другой вход которого соединен с выходом генератора. Выход формирователя соединен с входом установки в единичное состояние разрядов вычитающего счетчика, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя. Выход элемента И соединен со счетным входом вычитающего счетчика. Выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом формирователя импульсного сигнала возбуждения.
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 импульса установки, элемент И 5, генератор 6 тактовых импульсов, вычитающий счетчик 7, цифроаналоговый преобразователь 8, формирователь 9 импульсного сигнала возбуждения, первичный контур 10 индуктивно связанных контуров 12. Неподвижная часть 2 устройства, отделенная от вращающейся части 1 воздушным зазором 3, содержит вторичный контур 11 индуктивно связанных контуров 12.
Входом устройства является вход формирователя 4 импульса установки, расположенного на вращающейся части 1, на который поступают разряды кода данных. Его выход соединен с входом установки в единичное состояние разрядов вычитающего счетчика 7, выход которого подключен к входу цифроаналогового преобразователя 8. Счетный вход счетчика 7 соединен с выходом элемента И 5, один вход которого подключен к входу устройства, а другой - к выходу генератора 6 тактовых импульсов. Выход цифроаналогового преобразователя 8 соединен с входом формирователя 9 импульсного сигнала возбуждения, выход которого соединен с первичным контуром 10 индуктивно связанных контуров 12. Выход находящегося на неподвижной части 2 вторичного контура 11 индуктивно связанных контуров 12, отделенного от первичного контура 10 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 (фиг. 2, а), то по переднему фронту импульса кода в формирователе 4 генерируется импульс установки (фиг. 2, б) всех разрядов вычитающего счетчика 7 в единичное состояние, а сигналы от генератора 6 тактовых импульсов проходят через элемент И 5 на вход счетчика 7 (фиг. 2, в). На выходе цифроаналогового преобразователя 8 формируется импульс (фиг. 2, г) остроугольной формы, образованный скачком сигнала от нуля до наибольшего значения с последующим спадом дискретными ступеньками, размер (высота) которых определяется разрядностью счетчика, по линейному закону до нуля. Формирователь 9 импульсного сигнала возбуждения первичного контура 10 повторит остроугольный сигнал по форме, усилив его по мощности, и вызовет реакцию на него на вторичном контуре 11 ИСК 12 (фиг. 2, д), которая позволяет принять решение о значении переданного разряда кода.
Технический результат предложенного способа передачи данных через воздушный зазор с использованием индуктивно связанных контуров и устройства для его реализации заключается в том, что достигается увеличение помехозащищенности передачи разрядов кода данных за счет увеличения амплитуды сигнала, передаваемого через индуктивно связанных контуров, благодаря возбуждению их первичного контура импульсом остроугольной формы.
Литература
1. 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.
2. MANNER Sensortelemetrie [Электронный ресурс]. URL: http://manner-sensortelemetrie.ru/upload/file/Brochure-production-MANNER (Rus). PDF (дата обращения: 05.10.2017).
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 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНДУКТИВНО СВЯЗАННЫХ КОНТУРОВ, ВОЗБУЖДАЕМЫХ ОСТРОУГОЛЬНЫМ ИМПУЛЬСОМ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Расшифровка обозначений к фиг. 3:
1 - вращающаяся часть;
2 - неподвижная часть;
3 - воздушный зазор;
4 - формирователь импульса установки;
5 - элемент И;
6 - генератор тактовых импульсов;
7 - вычитающий счетчик;
8 - цифроаналоговый преобразователь;
9 - формирователь импульсного сигнала возбуждения;
10 - первичный контур;
11 - вторичный контур;
12 - индуктивно связанные контуры.