СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ ТОКОСЪЕМНИК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR TRANSMISSION OF MEASUREMENT SIGNAL VIA CURRENT COLLECTOR AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременной, а также поочередной передачи измерительного сигнала и постоянного тока или тока промышленной частоты через токосъемное устройство с подвижными контактами. В частности, оно может быть использовано для передачи информации с вращающегося объекта на неподвижный, когда постоянный ток или ток промышленной частоты может многократно превышать по мощности измерительный сигнал.
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. Кроме того, устройство не позволяет передавать на вращающийся объект электрическую энергию постоянного тока или тока промышленной частоты (50 Гц, 400 Гц или другой низкой частоты).
Известно контактное токосъемное устройство [2], [3], предназначенное для электрического соединения между вращающимся и неподвижным объектом. Устройство позволяет непосредственно передавать на вращающийся объект и с него поток электрической энергии постоянного тока или тока промышленной частоты. Однако при этом переходное сопротивление подвижных контактов обладает значительной нестабильностью, зависящей от частоты вращения объекта и температуры окружающей среды [5]. Непосредственно на подвижных контактах токосъемного устройства в силу специфических физико-химических процессов возникают шумы и появляется термо-ЭДС [4]. 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 постоянного тока или тока 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 термо-ЭДС токосъемного устройства с подвижными контактами препятствует передаче измерительных сигналов и приводит к недопустимо большим погрешностям при их передаче.
Кроме того, спектры измерительных сигналов и токов промышленной частоты могут перекрываться, что также приводит к недопустимым искажениям измерительных сигналов.
Известно также устройство [6], наиболее близкое по своей сущности к заявляемому техническому решению. Оно выбрано в качестве прототипа. Устройство позволяет передавать по проводной линии связи вместо аналогового сигнала высокочастотный синусоидальный сигнал, модулированный аналоговым сигналом. В состав устройства входят последовательно соединенные генератор, модулятор, усилитель, первый высокочастотный трансформатор, проводная линия связи, второй высокочастотный трансформатор, демодулятор. Входной аналоговый сигнал подается на второй вход модулятора, на первый вход которого подается синусоидальный высокочастотный сигнал. Выходной сигнал устройства снимается с выхода демодулятора.
Целью предлагаемого изобретения является обеспечение условий для одновременной, а также поочередной передачи измерительного сигнала и постоянного тока или тока промышленной частоты через токосъемное устройство с подвижными контактами для безопасной работы с измерительными цепями при этом.
Цель достигается тем, что в известном способе, осуществляющем модуляцию высокочастотного синусоидального сигнала измерительным сигналом, передачу модулированного синусоидального сигнала по проводной линии связи и сопряжение измерительных цепей с линией связи с помощью двух высокочастотных трансформаторов, согласно заявляемому способу вместо проводной линии связи используют токосъемное устройство с подвижными контактами. Через токосъемное устройство одновременно с модулированным синусоидальным сигналом могут передавать постоянный ток или ток промышленной частоты. При этом обеспечивают разнесение спектров модулированного сигнала и тока промышленной частоты, применяют помехоустойчивые виды модуляции синусоидального сигнала, фильтрацию модулированного синусоидального сигнала, гальваническую развязку силовых цепей постоянного тока или тока промышленной частоты и цепей измерительного сигнала. Кроме того, шунтируют конденсаторами внутреннее сопротивление источника и потребителя постоянного тока или тока промышленной частоты. Величину емкости шунтирующих конденсаторов С выбирают из условия:
-1
-1
BH
гр
(ωC)>>R>(ωС),
BH
гр
где ω - круговая частота тока промышленной частоты, R - внутреннее сопротивление источника или потребителя тока промышленной частоты, ω - нижняя граничная частота в спектре модулированного синусоидального сигнала.
В известное устройство, содержащее последовательно соединенные генератор, модулятор, согласующий усилитель, первый высокочастотный трансформатор, проводную линию связи, второй высокочастотный трансформатор, демодулятор, согласно заявляемому устройству вместо проводной линии связи включают токосъемное устройство с первым и вторым подвижными контактами. А также дополнительно вводят источник постоянного тока или тока промышленной частоты, потребитель этого тока, полосовой фильтр и два конденсатора. Полосовой фильтр устанавливают между вторым высокочастотным трансформатором и демодулятором, подключив его входными клеммами к вторичной обмотке второго трансформатора, а выходными клеммами - к демодулятору. Один из конденсаторов подключают к выходным клеммам источника постоянного тока или тока промышленной частоты. Второй конденсатор подключают к входным клеммам потребителя этого тока. Кроме того, и потребитель, и источник постоянного тока или тока промышленной частоты включают таким образом, чтобы образовался замкнутый контур из последовательно соединенных элементов: клемма источника постоянного тока или тока промышленной частоты, первый контакт токосъемного устройства, клемма потребителя постоянного тока или тока промышленной частоты, вторая клемма этого потребителя, вторичная обмотка первого высокочастотного трансформатора, второй контакт токосъемного устройства, первичная обмотка второго высокочастотного трансформатора, вторая клемма источника постоянного тока или тока промышленной частоты.
Согласно заявляемому способу через токосъемное устройство вместе с постоянным током или током промышленной частоты передают не сам измерительный сигнал, а высокочастотный синусоидальный сигнал, модулированный этим сигналом. В общем случае с помощью модуляции осуществляется перенос спектра модулирующего сигнала в более высокочастотную область. В заявляемом способе модуляция позволяет разнести по частоте спектр преобразованного сигнала и частотные составляющие тока промышленной частоты, исключить влияние последнего на измерительный сигнал. Использование дополнительно фильтрации модулированного синусоидального сигнала и применение помехоустойчивых видов модуляции при этом позволяет в значительной мере предотвратить прохождение в чувствительные измерительные цепи шумов контактного токосъемного устройства, термо-ЭДС и нестабильного по величине падения напряжения на переходном сопротивлении подвижных контактов. Кроме того, перенос спектра измерительного сигнала в высокочастотную область дает возможность использовать высокочастотные трансформаторы и осуществить гальваническое разделение измерительных цепей и силовых цепей постоянного тока или тока промышленной частоты.
Высокочастотные трансформаторы обладают сравнительно малой индуктивностью обмоток, что практически исключает возможность передачи через них низкочастотных сигналов и помех. В заявляемом способе это позволяет в значительной мере уменьшить влияние низкочастотных помех на погрешность передачи модулированного сигнала через токосъемник. К таким помехам можно отнести падение напряжения на нестабильном сопротивлении подвижных контактов, термо-ЭДС этих контактов, низкочастотную часть спектра шумов подвижных контактов и соединительных проводов. С этих позиций высокочастотные трансформаторы защищают чувствительные измерительные цепи от попадания на них повышенного напряжения силовых цепей постоянного тока или тока промышленной частоты и делает работу с измерительными цепями безопасной.
Подключение дополнительных конденсаторов к клеммам потребителя и источника постоянного тока или тока промышленной частоты позволяет шунтировать их внутренние сопротивления на высокой частоте и дает возможность передавать с первого высокочастотного трансформатора на второй высокочастотный трансформатор модулированный синусоидальный сигнал без существенных потерь на внутренних сопротивлениях. При наличии дополнительных конденсаторов изменение внутренних сопротивлений источника и потребителя не приводит к дополнительной погрешности передачи модулированного сигнала. А в случае отключения потребителя или источника дополнительные конденсаторы сохраняют неразрывной цепь прохождения модулированного синусоидального сигнала.
Таким образом, модуляция высокочастотного синусоидального сигнала измерительным сигналом и передача модулированного сигнала через контакты токосъемного устройства, а также использование помехоустойчивых видов модуляции, дополнительной фильтрации, гальванического разделения цепей с помощью высокочастотных трансформаторов и шунтирования конденсаторами внутренних сопротивлений источника и потребителя постоянного тока или тока промышленной частоты обеспечивают необходимые условия для одновременной передачи измерительного сигнала и постоянного тока или тока промышленной частоты через контактное токосъемное устройство. Использование высокочастотных трансформаторов защищает измерительные цепи от попадания на них напряжения цепей постоянного тока или тока промышленной частоты, делает работу с измерительными цепями безопасной даже в тех случаях, когда в цепях постоянного тока или тока промышленной частоты используются сравнительно высокие напряжения.
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 способа и устройства в предложенной совокупности. Таким образом, заявляемый способ передачи измерительного сигнала через токосъемник и устройство для его осуществления удовлетворяет критерию "изобретательский уровень".
Заявляемый способ и устройство для его осуществления позволяют, в частности, передавать измерительную информацию с вращающихся объектов без установки дополнительных токосъемных устройств, используя те из них, которые уже применяются для передачи различного рода потоков электрической энергии. При этом обеспечиваются необходимые условия для передачи измерительного сигнала для безопасной работы с измерительными цепями. Таким образом, заявляемый способ и устройство удовлетворяют критерию "промышленная применяемость".
Заявляемый способ и устройство поясняются чертежом, где изображена блок-схема устройства для передачи измерительного сигнала и постоянного тока или тока промышленной частоты через токосъемное устройство с подвижными контактами. На схеме использованы следующие обозначения: 1 - источник постоянного тока или тока промышленной частоты, 2 - дополнительный конденсатор; 3 - второй высокочастотный трансформатор; 4 - полосовой фильтр; 5 - демодулятор; 6 - выход устройства; 7, 8 - соответственно первый и второй контакты токосъемного устройства; 9 - первый высокочастотный трансформатор; 10 - согласующий усилитель; 11 - модулятор; 12 - генератор синусоидального сигнала; 13 - вход для подачи измерительного сигнала; 14 - второй дополнительный конденсатор; 15 - потребитель постоянного тока или тока промышленной частоты.
Источник 1 через первичную обмотку трансформатора 3, контакты токосъемного устройства 7 и 8, вторичную обмотку трансформатора 9 соединяют с потребителем постоянного тока или тока промышленной частоты 15. Параллельно источнику 1 подключают конденсатор 2. Параллельно потребителю 13 подключают конденсатор 14. Генератор 12, модулятор 11, согласующий усилитель 10, трансформатор 9, второй контакт токосъемного устройства 8, трансформатор 3, полосовой фильтр 4 и демодулятор 5 соединяют последовательно друг за другом. Входной измерительный сигнал 13 подают на второй вход модулятора 11. Выходной сигнал устройства 6 снимают с выхода демодулятора 5.
Устройство работает следующим образом. Измерительный сигнал в аналоговом виде или в виде последовательности импульсов поступает на вход модулятора 11, на другой вход которого подается синусоидальный сигнал частотой, например, 200 кГц с генератора 12. На выходе модулятора формируется синусоидальный сигнал с частотной либо с фазоразностной модуляцией. Этот сигнал через согласующий усилитель 10 поступает на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 9, с вторичной обмотки которого модулированный сигнал подается через конденсатор 14 на контакты 7, 8 токосъемного устройства, откуда через конденсатор 2 попадает на первичную обмотку высокочастотного трансформатора 3. С вторичной обмотки трансформатора 3 модулированный сигнал поступает на вход полосового фильтра 4, полоса пропускания которого согласована с шириной спектра модулированного синусоидального сигнала. Так как ширина спектра шума подвижных контактов токосъемного устройства во много раз превышает полосу пропускания полосового фильтра, то на выход фильтра 4 проходит только небольшая часть мощности шума. С выхода фильтра 4 модулированный сигнал проходит на вход демодулятора 5, где производится восстановление переданного измерительного сигнала.
Параллельно с измерительным сигналом через контакты 7, 8 токосъемного устройства передается силовой ток источника постоянного тока или тока промышленной частоты 1 на вход потребителя этого тока 15. При этом из-за сравнительно малой индуктивности обмоток высокочастотных трансформаторов 3 и 9, из-за того, что полоса пропускания полосового фильтра 4 лежит в области высоких частот, практически полностью исключается возможность попадания на вход демодулятора 5 и на выход усилителя 10 нестабильного по величине падения напряжения на переходном сопротивлении контактов 7 и 8, термо-ЭДС этих контактов, напряжения цепей постоянного тока или тока промышленной частоты. В то же время сравнительно большое сопротивление емкости конденсаторов 2 и 14 на промышленной частоте или на постоянном токе практически полностью исключает возможность перераспределения силовых токов через эти конденсаторы. Благодаря сравнительно малой величине тока измерительных цепей и переходного сопротивления подвижных контактов падение напряжения на контактах токосъемного устройства оказывается настолько мало, что практически не оказывает влияния на точность передачи модулированного синусоидального сигнала.
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 C1, 23.11.1999.
4. Дьяченко 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. Приемопередающие устройства проводных линий связи информационных систем. М.: Радио и связь, 1989, рис.2.19.