НОРМИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ФОРМЫ СИГНАЛОВ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ И ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Настоящая полезная модель относится к области электроники и приборостроения и может быть использована для преобразования формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения. В частности, заявляемый нормирующий преобразователь формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения (в данном описании для краткости обозначаемый также как «преобразователь») может использоваться в системах регулирования и управления технологическими процессами, где требуется приведение частотного сигнала первичного датчика с широким диапазоном амплитуд и формы сигнала к детерминированным величинам для возможности его дальнейшей обработки при помощи цифровых контроллеров в системах автоматизированного управления (САУ) в условиях действия сигнала помехи в рабочем диапазоне частот.
Уровень техники.
В системах управления скоростью вращения турбин гидроагрегатов на электростанциях для измерения частоты вращения ротора турбины используется сигнал, получаемый с первичного датчика, например с обмотки тахогенератора (ТГ), представляющий собой синусоидальный сигнал переменной частоты и переменного напряжения, или с измерительного трансформатора напряжения генератора (ТНГ), или сигнал формы меандр с датчика, устанавливаемого на валу турбины зубчатого колеса. В различных режимах работы турбины значения частоты, а также напряжения на выходе ТГ и ТНГ изменяются в больших пределах (например - от 0 до 200 Гц и от 0 до 250 В соответственно). Для слежения за частотой вращения турбины микропроцессорными контроллерами требуется приведение этих сигналов к нормированным значениям (например - 24 В) во всём рабочем диапазоне частот без потери чувствительности на малых оборотах тахогенератора, т.е. при малых амплитудах входных напряжений. Кроме того, необходима высокая помехозащищённость при малых оборотах тахогенератора, чтобы избежать наложения сигнала помехи на еще слабый по уровню полезный сигнал и, как следствие этого, регистрации внешним контроллером ложной завышенной, но ещё в пределах её рабочего диапазона вращения, частоты вращения турбины. Такая ошибка приводит к дальнейшему неверному автоматическому регулированию и аварийным остановкам.
Также не желательны преобразования в другие измерительные аналоговые величины (токи, напряжения), так как это приведёт к росту погрешности измерительного канала, к его конструктивному усложнению, как следствие, снижению надёжности данного сегмента системы.
https://www.phoenixcontact.com
Из уровня техники известен универсальный измерительный преобразователь частоты MCR-F-UI-DC производства Phoenix Contact с заказным номером по каталогу фирмы: 2814605. ()
На фиг. 1 представлена функциональная схема данного аналога, взятая с сокращениями из официальной «инструкции по использованию» для возможности проведения анализа её работы и выделения общих признаков и различий с настоящей полезной моделью.
Выделим общие признаки с настоящей полезной моделью: наличие компаратора (101), наличие блока (103) гальванической развязки.
Следующие перечисленные признаки этого аналога определяют его отличие от заявленной полезной модели: блок (102) микроконтроллера, а также связи блока (102) микроконтроллера с компаратором (101) и блоком (103) гальванической развязки, блок (104) цифро-аналогового преобразования и образованная им связь с блоком (103) гальванической развязки.
Упомянутый универсальный измерительный преобразователь не позволяет получить требуемого преобразования входного сигнала в связи с тем, что блок (104) цифро-аналогового преобразования на своем выходе формирует электрический сигнал с другой измерительной величиной (напряжение или ток с линейной зависимостью от частоты сигнала на входе).
http://prelectronics.com.ru/
Из уровня техники известен программируемый F/I, F/F преобразователь (серии преобразователей 2255, 5223, 5225 производства фирмы PRelectronics ). Упрощённая функциональная схема аналога приведена на фиг. 2.
Общим признаком данного аналога с рассматриваемой полезной моделью является наличие компаратора (201), наличие блока (202) формирования гистерезиса, наличие связи между компаратором (201) и блоком (202) формирования гистерезиса.
Следующие перечисленные признаки этого аналога определяют его отличие от заявленной полезной модели: наличие блока (203) микроконтроллера, наличие транзисторного ключа (204) с открытым выходом («сухой контакт»), а также связи, образованные между блоком (203) микроконтроллера и блоком (202) формирования гистерезиса, компаратора (201), транзисторного ключа (204).
Упомянутый программируемый F/I, F/F преобразователь не позволяет получить требуемого преобразования входного сигнала без доработки внешних цепей. Кроме того, он обладает такими недостатками, как ограниченный верхний предел напряжений, подводимых к входу преобразователя (≤80 В), и обнаруженная из опыта использования данного преобразователя на объектах ГЭС слабая помехозащищенность в области малых напряжений входа, т.е. при начальных оборотах тахогенератора.
http://www.eisystem.ru/
Наиболее близким к заявляемому преобразователю является известный из уровня техники преобразователь измерительный ИП-40040-3-1 производства ЗАО НПП «Электронные информационные системы», г. Екатеринбург (). Из представленной в руководстве по эксплуатации (РЭ) АВЛБ.426442.003 РЭ функциональной схемы (см. фиг. 3, упрощена для проведения анализа и сравнения с другими аналогами и настоящей полезной моделью) выделим общие признаки: наличие компаратора (301), наличие блока (302) формирования гистерезиса для работы компаратора, наличие блока (304) гальванической развязки, наличие связи между компаратором (301) и блоком (304) гальванической развязки, наличие фильтра (306) низких частот.
Но наличие в функциональной схеме представленного аналога дополнительных элементов: преобразователя (305) частота-напряжение, выходного каскада (307), блока (303) защиты входных цепей от перенапряжения, а также их взаимосвязи обуславливают технические параметры аналога, не позволяющие использовать его для преобразования сигналов от тахогенератора гидротурбины с дальнейшим подключением к модулю быстрого счёта контроллера регулирования турбины. В первую очередь потому, что преобразователь (305) частота-напряжение переводит измеряемую частоту входного сигнала в другую измерительную величину (в напряжение или ток с линейной зависимостью от частоты сигнала на входе).
Таким образом, в уровне техники не выявлено средств, обеспечивающих согласование первичного датчика тахогенератора (датчика зубчатого колеса либо напряжения с ТНГ) с цифровыми входами контролирующей системы (контроллера) без введения в цепь датчик-преобразователь-контроллер каких-либо дополнительных устройств согласования, что привело бы к дополнительной погрешности измерений, уменьшению помехозащищенности и надёжности цепи, а также общему удорожанию.
В результате возникла техническая потребность по созданию преобразователя, сочетающего в себе следующие характеристики:
- диапазон рабочих входных напряжений AC/DC от 0,8 до 250 В;
- форма входного сигнала – синусоида, меандр;
- частотный диапазон входного сигнала – от 0 до 250 Гц;
- гальванически развязанные входные и выходные цепи;
- напряжение выходного сигнала – импульсное с постоянной амплитудой 20 - 24 В;
- частота входного сигнала как измерительная величина не должна подвергаться преобразованию, масштабированию и задержкам, поэтому устройство не должно требовать поверки и регистрации его как средства измерения.
- должна обеспечиваться достаточная помехозащищённость относительно помехи, действующей в рабочем диапазоне частот, т.е. от 0 до 250 Гц.
Сущность полезной модели
Для выполнения устройства преобразователя с такими характеристиками была разработана настоящая полезная модель. Её функциональная схема приведена на фиг. 4.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание нормирующего преобразователя формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения, обеспечивающего преобразование входного сигнала любой формы в широком диапазоне напряжений (например - от 0,8 до 250 В), поступающего на вход преобразователя в сигнал импульсной формы с частотой, равной частоте входного сигнала, и нормированным напряжением (например – 24 В) на выходе преобразователя в условиях действия сигнала помехи в диапазоне рабочих частот.
Технический результат использования заявляемого технического решения выражается, в частности:
- в возможности подключения датчиков с частотным выходом к дискретным модулям быстрого счета САУ через заявляемый преобразователь без воздействия на саму измеряемую величину (частоту) в широком диапазоне действующих напряжений датчиков;
- в улучшении качества измеряемого сигнала (нормирование амплитуды и формы), подводимого к счётному модулю контроллера;
- в повышении чувствительности к слабым сигналам;
- в улучшении помехозащищенности.
Задача, положенная в основу настоящей полезной модели с достижением заявленного технического результата, решается тем, что нормирующий преобразователь формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения содержит: последовательно соединенные входной фильтр (401) низких частот, амплитудный ограничитель (402), компаратор (403), оснащенный блоком (404) формирования гистерезиса, блок (405) гальванической развязки, оконечный фильтр (406) низких частот и блок (407) питания, соединенный с компаратором и блоком гальванической развязки и выполненный с возможностью обеспечивать их раздельное питание.
В одном из вариантов осуществления блок (407) питания содержит по меньшей мере фильтр низких частот цепей питания и блок питания компаратора.
В еще одном варианте осуществления блок питания выполнен с возможностью подключения внешнего источника питания, а напряжение внешнего питания равно уровню напряжения выходного сигнала.
Технический результат повышения помехозащищённости и чувствительности к слабым сигналам тахогенератора обеспечивают следующие признаки: входной фильтр (401) низких частот, компаратор (403), блок (404) формирования гистерезиса, связи, образованные компаратором (403) с блоком (404) формирования гистерезиса, и компаратором (403) с входным фильтром (401) низких частот через блок (402) ограничителя амплитуды.
Технический результат по расширенному диапазону входных напряжений обеспечивается следующими признаками: входным фильтром (401) низких частот, амплитудным ограничителем (402), связью между элементами (401) и (402).
Технический результат улучшения качества измеряемого сигнала обеспечивается элементами компаратора (403), блока (405) гальванической развязки, оконечного фильтра (406) низких частот, а также связями, образованными компаратором (403) и блоком (405) гальванической развязки; блоком (405) гальванической развязки и оконечным фильтром (406) низких частот.
Отсутствие воздействия на измеряемую величину (частоту входного сигнала) объясняется свойствами используемых элементов (401), (402), (403), (404), (405), (406). Все упомянутые элементы, а также их взаимное расположение и связи между собой не производят каких-либо действий сложения/вычитания, масштабирования, модуляции либо преобразования в другие физические величины (токи, напряжения) с частотой входного сигнала. На выходе преобразователя мы получаем выходной сигнал импульсной формы с частотой, равной частоте входного сигнала, без дополнительной погрешности, являющейся результатом преобразования.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена функциональная схема измерительного преобразователя MCR-F-UI-DC.
На фиг. 2 изображена функциональная схема программируемого преобразователя PRelectronics 5225.
На фиг. 3 изображена функциональная схема преобразователя измерительного ИП-40040.
На фиг. 4 изображена функциональная схема заявляемого преобразователя.
На фиг. 5 изображена принципиальная электрическая схема заявляемого преобразователя.
На фиг. 6 изображен график зависимости напряжения Uвых выходного сигнала компаратора от напряжения Uвх входного сигнала
На фиг. 7 изображена осциллограмма, показывающая графики входного и выходного сигналов преобразователя при минимальном значении уровня напряжения на входе.
На фиг. 8, 9 изображены осциллограммы, показывающие графики входного и выходного сигналов преобразователя с ростом амплитуды входного напряжения.
На фиг. 10 изображена осциллограмма, показывающая графики входного и выходного сигналов преобразователя с действующим напряжением помехи на входе.
На фиг. 11 изображена осциллограмма, показывающая графики входного и выходного сигналов преобразователя на верхней границе рабочего диапазона частот преобразователя.
Список позиционных обозначений
101 - компаратор перехода через ноль;
102 - микроконтроллер;
103 - блок гальванической развязки;
104 - цифро-аналоговый преобразователь;
105 - блок питания.
201 - компаратор;
202 - блок формирования гистерезиса;
203 - микроконтроллер;
204 - транзисторный ключ, образующий «сухой контакт»;
205 – блок питания;
301 - компаратор;
302 - блок формирования гистерезиса;
303 - блок защиты входных цепей от перенапряжений;
304 - блок гальванической развязки;
305 - блок преобразователя частота-напряжение;
306 - фильтр низких частот;
307 - выходной каскад;
308 - блок питания;
401 - входной фильтр низких частот;
402 - амплитудный ограничитель;
403 - компаратор;
404 - блок формирования гистерезиса;
405 - блок гальванической развязки;
406 - оконечный фильтр низких частот;
407 - блок питания.
Осуществление полезной модели.
Предпочтительный вариант исполнения предлагаемого технического решения описывается далее на основе представленной принципиальной электрической схемы нормирующего преобразователя формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения (см. фиг. 5)
На принципиальной электрической схеме на фиг. 5 соответствующие конструктивные элементы нормирующего преобразователя формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения выполнены следующими схемо-техническими решениями:
- входной фильтр (401) низких частот выполнен в виде пассивного двухзвенного RC-фильтра на резисторах R1-R5, конденсаторах С1, С2;
- амплитудный ограничитель (402) выполнен на диодах D1-D6 со встречно-параллельным включением, например типа 1N4007;
- компаратор (403) выполнен на микросхеме компаратора DA1, например типа MAX921 с согласующими элементами R6 и C3;
- блок (404) формирования гистерезиса выполнен на резистивном делителе напряжения R7-R9;
- блок (405) гальванической развязки выполнен на микросхеме опто-электронной развязки DA2, например CNY17-3, с согласующими резисторами R10-R12;
- оконечный фильтр (406) низких частот выполнен на LC-фильтре из конденсатора C6, и дросселя Др3;
- блок (407) питания выполнен в виде схемы раздельного питания, содержащей блок питания компаратора и фильтр низких частот цепей питания;
- блок питания компаратора состоит из диода D7, например 1N4007, конвертера напряжения 24 В/5 В, например типа TRACO POWER THI 2420;
- в качестве фильтра низких частот цепей питания используются дроссели Др1, Др2 и конденсатор C5.
Работа преобразователя характеризуется, в частности, следующими величинами:
- пороговое напряжение амплитудного ограничителя: Uп (например, 1,3 В);
- минимальная амплитуда напряжения входного сигнала для срабатывания компаратора: Uмин, причем Uмин < Uп (например 0,8 В);
- максимальная амплитуда напряжения входного сигнала: Uмакс (например, 250 В);
- мгновенное значение напряжения входного сигнала преобразователя: Uвх, причём 0≤Uвх≤Uмакс;
- мгновенное значение входного напряжения, достаточное для включения (срабатывания) компаратора: Uвкл, причём Uвкл = Uмин;
- мгновенное значение входного напряжения, достаточное для выключения компаратора: Uвыкл, причем Uвыкл < Uвкл (например 0,4 В);
- максимально возможная амплитуда напряжения сигнала помехи на входе не оказывающая воздействия на результат преобразования: Uпомехи, причём Uпомехи = Uвыкл (0,4 В);
- величина опорного напряжения: Uо (например, 24 В).
Требуемые значения упомянутых величин могут быть обеспечены путём выбора характеристик отдельных элементов преобразователя.
Нормирующий преобразователь формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения работает следующим образом.
К клеммам X5, X6 подключается источник внешнего питания. Предполагается, что питание преобразователя осуществляется постоянным напряжением с величиной, равной величине опорного напряжения (в рассматриваемом примере – 24 В). Это обстоятельство обуславливает устройство блока питания, который содержит фильтр низких частот цепей питания и блок питания компаратора. Фильтр низких частот цепей питания устраняет помехи от внешнего питания. После фильтра низких частот цепей питания отфильтрованное напряжение подается на блок питания компаратора и блок гальванической развязки. Блок питания компаратора понижает напряжение до 5 В и подает его на компаратор.
Напряжение переменной частоты и переменной амплитуды, мгновенное значение которого представлено величиной Uвх, с датчика оборотов, например, с тахогенератора турбины гидроагрегата с уровнем от 0 до Uмакс подводится через клеммы X1, X2 на входной фильтр низких частот (401). Входной фильтр низких частот (401) пропускает полезный сигнал, ослабляя при этом сигнал помехи с более высокими частотами. После фильтра сигнал поступает на амплитудный ограничитель (402), выполненный на диодах D1-D6. Амплитудный ограничитель (402) ограничивает амплитуду сигнала до порогового напряжения Uп амплитудного ограничителя. И далее уже ограниченное этой амплитудой напряжение сигнала поступает на вход компаратора (403) на микросхеме DA1. За счет блока (404) формирования гистерезиса на резисторах R7-R9 компаратор срабатывает на восходящем участке синусоиды входного сигнала при выполнении условия Uвх = Uвкл, обратное срабатывание (выключение) настроено на падение уровня сигнала на входе ниже Uвыкл, т.е. на выполнение условия Uвх=Uвыкл на ниспадающем участке синусоиды входного сигнала (моменты срабатывания компаратора хорошо видны на осциллограммах фиг. 7-10):
Таким образом, за счёт наличия блока (404) формирования гистерезиса обеспечивается требуемая нечувствительность компаратора к уровню помехи Uпомехи, при слабом полезном входном сигнале, равном Uмин, т.е. при малых оборотах тахогенератора, когда частота и уровень сигнала с датчика невелики (показано на осциллограмме на фиг. 10).
Сигналом на выходе компаратора (403) будут импульсы одинаковой амплитуды Uo с крутыми фронтами в точках переключения схемы гистерезиса, частота которых соответствует частоте сигнала тахогенератора, т.е. частоте, действующей на входе преобразователя.
С компаратора (403) сигнал поступает на блок (405) гальванической развязки, выполненный на микросхеме DA2, на выходе которой амплитуда импульсов сигнала повышается до требуемого для работы модуля быстрого счёта внешней САУ напряжения Uo.
Оконечный фильтр (406) низких частот, выполненный на дросселе Др3 и конденсаторе C6, фильтрует высокочастотные составляющие в выходном сигнале, ограничивая верхний предел частотного диапазона частотой, например, 300-350 Гц (см. осциллограмму на фиг. 11).
Далее, со ссылками на фиг. 7-10, представлено описание осциллограмм, поясняющих работу заявляемого преобразователя.
На всех осциллограммах развертка: 50 мсек/дел., в канале 1 (500 мВ/дел.) синусоидальный входной сигнал, поступающий на преобразователь, в канале 2 (10 В/дел.) прямоугольный выходной сигнал с преобразователя. Горизонтальная сплошная линия на уровне 0,8 В – контроль срабатывания преобразователя по уровню 0,8 В для входного сигнала.
Осциллограмма на фиг. 7 показывает срабатывание компаратора на гребне амплитуды входного сигнала, когда его уровень минимален и равен 0,8 В.
Осциллограммы на фиг. 8 и фиг. 9 показывают, что дальнейший рост амплитуды входного сигнала не влияет на точки включения и выключения компаратора.
На всех трёх упомянутых выше осциллограммах отчётливо видно, что с ростом уровня входного сигнала наблюдается рост длительности импульса на выходе преобразователя, однако частота следования этих импульсов остается постоянной.
Осциллограмма на фиг. 10 показывает работу преобразователя с входным сигналом, образованным полезным сигналом с частотой 5 Гц и амплитудой 0,8 В с «подмешиванием» сигнала помехи с частотой 50 Гц с амплитудой 0,4 В.
По осциллограмме видно, что сигнал помехи с амплитудой 0,4 В частотой 50 Гц (частота выбрана для наглядности осциллограммы) не оказывает влияния (отсутствуют ложные срабатывания компаратора) на преобразование полезного сигнала амплитудой 0,8 В и частотой 5 Гц в импульсное напряжение с той же частотой.
Осциллограмма на фиг. 11 показывает работу преобразователя с сигналами на частотах верхнего предела диапазона 200 Гц (развертка 2 мсек/дел.).
В уровне техники не выявлены источники, раскрывающие совокупность существенных признаков заявляемого нормирующего преобразователя формы сигналов переменной частоты и переменного напряжения, поэтому последний отвечает условию патентоспособности «новизна». Возможность использования в промышленности позволяет сделать вывод о его соответствии условию «промышленная применимость».
Все конкретные величины, упомянутые в данном описании, приведены лишь для примера и не являются ограничивающими. Конкретные величины, характеризующие работу преобразователя, находятся в зависимости от характеристик отдельных элементов, используемых при осуществлении настоящей полезной модели.