Телеизмерение

Из трех основных телемеханических функций (телеуправление, теле- сигналйзация и телеизмерение) телеизмерение (ТИ) является наиболее сложным, что обусловлено требованием передачи информации с большой точностью.
Разнообразие телеизмерений велико. Однако в последние годы наблюдается тенденция в сторону преимущественного применения кодо-импульсных ТИ, что выявляется при анализе современных систем телемеханики (см. гл. 15 и 16).
Вследствие этого уменьшается использование систем ТИ, основанных на других принципах; так, перестали применять системы интенсивности. В то же время появились новые адаптивные телеизмерения.

Основные понятия

Телеизмерение — получение информации о значениях измеряемых параметров контролируемых или управляемых объектов методами и средствами телемеханики
(ГОСТ 26.005—82). В том же ГОСТе даются определения таких понятий.

Телеизмерение по вызову—телеизмерение по команде, посылаемой с пункта управления на контролируемый пункт и вызывающей подключение на контролируемом пункте передающих устройств, а на пункте управления—соответствующих приемных устройств.

Телеизмерение по вызову позволяет использовать одну линию связи (канал телеизмерения) для поочередного наблюдения за многими объектами телеизмерения. Диспетчер с помощью отдельной системы телеуправления может подключать к каналу телеизмерения желаемый объект телеизмерения. На пункте управления показания можно наблюдать на общем выходном приборе. Если показания имеют различные шкалы, то измеряемые величины подключаются к разным приборам. При телеизмерении по вызову можно применять автоматический опрос объектов телеизмерения циклически по заданной программе.

Телеизмерение по выбору—телеизмерение путем подключения к устройствам пункта управления соответствующих приемных приборов при постоянно подключенных передающих устройствах на контролируемых пунктах.

Телеизмерение текущих значений (ТИТ) — получение информации о значении измеряемого параметра в момент опроса устройством телемеханики.

Телеизмерение интегральных значений (ТИИ)— получение информации об интегральных значениях измеряемых величин, проинтегрированных по заданному параметру, например времени, в месте передачи.

Последние два определения даются в ГОСТ 26.205—83.
Телеизмерения имеют особенности, отличающие их от обычных электрических измерений, которые не могут быть применены для измерения на расстоянии вследствие возникновения погрешностей из-за изменения сопротивления линии связи при измерении параметров окружающей среды — температуры и влажности.
Даже если бы указанные погреш ности находились в допустимых пределах, передача большого числа показаний потребовала бы большого числа проводов.
Кроме того, в некоторых случаях (передача измерения с подвижных объектов
—самолетов, ракет и др.) обычные методы измерения принципиально не могут быть использованы. Методы телеизмерения позволяют уменьшить погрешность при.передаче измеряемых величин на большие расстояния, а также многократно использовать линию связи.
Сущность телеизмерения заключается в том, что измеряемая величина, предварительно Преобразованная в ток или напряжение, дополнительно преобразуется в сигнал, который затем передается по линий связи. Таким- образом, передается не сама измеряемая величина, а эквивалентный ей сигнал, параметры которого выбирают так, чтобы искажения при передаче были минимальными. Структурная схема .телеизмерения приведена на рис. 13.1.
Измеряемая величина х (например, давление газа) преобразуется с помощью датчика (первичного преобразователя) / в электрическую величину z (ток, напряжение, сопротивление, индуктивность или емкость). Далее происходит вторичное, телемеханическое преобразование: электрическая величина в передатчике 2 преобразуется в сигнал С|, который передается в линию связи.
На приемной стороне (в приемнике 3) снова производится преобразование принятого сигнала Сч (он может несколько отличаться от переданного сигнала
Ci за счет воздействия помех в линии связи) в значение тока или напряжения, которое эквивалентно измеряемой величине и воспроизводит ее на выходном приборе ВП. Совокупность технических средств, необходимых для осуществления телеизмерений (рис. 13.1), включая датчик / и показывающий прибор 4, называют телеизмерительной системой (СТИ).

Характеристики систем телеизмерения и предъявляемые к ним требования.
Главное требование, предъявляемое к СТИ, заключается в том, что она должна обеспечить заданную точность телеизмерения. Поэтому основной характеристикой СТИ является точность. Точность характеризуется статической погрешностью, или просто погрешностью.

Погрешность — степень приближения показаний приемного прибора к действительному значению измеряемой величины. Погрешность телеизмерения определяют как максимальную разность между показаниями выходного прибора на приемной стороне и действительным значением телеизме-ряемой величины, определяемым по показаниям образцового прибора.

Согласно ГОСТ 26.205—83, классы точности каналов телеизмерения должны быть установлены для устройств и комплексов при цифровом и аналоговом воспроизведении измеряемых параметров из следующего ряда: 0,15; 0.25; 0,4;
6,6; 1,0; 1,5; 2,5.
Абсолютная ос новная погрешность канала телеизмерения устройства
(комплекса) — наибольшая разность выходной величины, приведенной к входной в соответствии с градуировочной характеристикой, и входной величины:

(=у-х, (13.1) где ( - абсолютная погрешность. Значения величин у н х ясны из рис. 13.1.

Относительная погрешность 6' — отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах.

Приведенная погрешность 6—отношение абсолютной погрешности к величине диапазона шкалы измерений (Хтаи~Хп,щ):

6=(/(Xmax - Xmin). (13.2)

Абсолютная дoполнительная погрешность канала телеизмерения устройства
—наибольшая разность значений входной (выходной) величины при нормальных условиях и при воздействии влияющего фактора (ГОСТ 26.205—83).

Дополнительные погрешности вызываются различными отклонениями от нормальных условий работы, например изменением температуры окружающей среды, изменением напряжения питания за допустимые пределы, появлением помех, внешних магнитных полей и т. п.

Согласно ГОСТ 26.205—83, допускается отклонение напряжения питания от плюс 10 до минус 15% (класс устройств АСЗ) и от плюс 15 до минус 20 %
(класс устройств АС4) от номинальных параметров питания. Номинальные параметры питания устройств от электрических сетей переменного тока частотой 50 Гц должны быть следующие: напряжение однофазной сети — 220 В; напряжение трехфазной сети — 220/380 В. Допускается отклонение частоты 50
Гц от плюс 2 до минус 2 % (класс 3) и от плюс 5 до минус 5 % (класс 4).
Устройства (кроме телеизмерительных устройств систем интенсивности) должны выполнять заданные функции при отклонении уровня сигнала на входе приемного устройства на плюс 50 и минус 50 % от номинального значения входного сигнала.

Телеизмеряемые величины должны воспроизводиться аналоговым или цифровым способом на указывающих или регистрирующих приборах в абсолютных значениях измеряемых величин. Это значит, что если передаваемая величина выражается в тоннах, то, несмотря на все промежуточные преобразования этой величины, неизбежные при передаче, прибор на приемной стороне должен быть отградуирован в тоннах. Лишь в особых случаях допускается воспроизведение телеизмерений в процентах.

Суммирование измеряемых величин. Необходимость суммирования возникает при наличии многих источников одной и той же информации на приемной стороне. В этом случае суммирование осуществляют на передающей стороне. При сильно рассредоточенных объектах и большом числе контролируемых пунктов суммирование телеизмеряемых величин осуществляют на приемной стороне.

Суммируются вспомогательные величины у, в которые преобразуются измеряемые величины х. Поэтому существуют методы суммирования (сложения) токов, напряжений, импульсов, магнитных потоков, вращающих моментов, угловых и линейных перемещений, параметров электрических цепей
(сопротивлений, емкостей, индуктивностей).Условия суммирования записывают в виде

(13.3.)
( yi = K ( xi.

Классификация систем телеизмерения.
Наиболее распространена классификация по параметру, т. е. методам, с помощью которых передается значение измеряемой величины (рис. 13.2). При такой классификации системы телеизмерения делятся на импульсные и частотные. Общей для этих групп является частотно-импульсная система.

Все эти системы могут быть одноканальными, когда по одной линии связи передается только одно измерение, и многоканальными, когда по одной линии связи передается много измерений (классификация по числу измеряемых величин). Многоканальность достигается теми же методами, что и в телеуправлении, т. е. с помощью частотного и временного способов разделения сигналов. Многоканальная система позволяет вести наблюдения за показаниями многих измеряемых величин одновременно в отличие от систем, использующих телеизмерение по вызову, в которых наблюдение показаний различных объектов телеизмерения происходит поочередно.

По методам воспроизведения измеряемой величины системы телеизмерения подразделяют на аналоговые и цифровые.

В аналоговых системах используются непрерывные (аналоговые) сигналы.
Параметр аналогового сигнала является однозначной непрерывной функцией измеряемой величины. К аналоговым относятся сигналы, модулированные с помощью непрерывных модуляций и таких импульсных модуляций, как широтная, фазовая и частотная. В аналоговых системах может применяться квантование по времени, но отсутствует квантование по уровню.

В аналоговых системах воспроизведение сигнала осуществляется в аналоговой форме, т. е. в виде электрической величины (тока или напряжения), которая измеряется обычным электроизмерительным прибором.

В цифровых системах используются дискретные, квантованные по уровню сигналы, как правило, кодовые комбинации, представляющие собой определенное значение измеряемой величины. Такими системами являются кодоимпульсные системы телеизмерения. Системы с цифровым отсчетом измеряемой величины получают все большее распространение из-за точности показаний и удобства считывания.
Системы телеизмерения можно классифицировать также по виду программы, по которой они работают. Подавляющее большинство СТИ работают по жесткой программе, по которой передаются все измеряемые сообщения независимо от того, несут ли они информацию получателю или являются избыточными, не представляющими ценности, загромождающими канал связи и средства, по заранее заданной программе и в какой-то мере изменяющие ее по команде.
Начали выпускать адаптивные телеизмерительные системы, автоматически изменяющие программу работы в зависимости от изменения, характеристик передаваемых сигналов и внешних условий.

Кроме указанных на рис. 13.2 систем ТИ существуют также системы интенсивности, на которые были даны ссылки в ГОСТ. В системах интенсивности измеряемая величина после преобразования ее в ток или напряжение в дальнейшем, как указывалось на рис. 13.1, в сигнал не преобразуется.
Преобразователь измеряемой величины в ток или напряжение включен непосредственно в линию, а на приемной стороне к этой же линии подключается прибор, измеряющий ток или напряжение.

Погрешность телеизмерения систем интенсивности вследствие измерения сопротивления линии связи в пределах 2—3%. Дальность передачи на воздушных линиях связи ввиду большого и непостоянного значения (в зависимости от метеорологических условий) проводимости изоляции (утечки) не превышает 10 км. При использовании кабельных линий связи, в которых утечка практически отсутствует, дальность передачи достигает 25 км.
Указанные недостатки сузили сферу применения этих устройств, И их производство прекращается.

Кодоимпульсные (цифровые) системы

В кодоимпульсных системах (КИС) измеряемая величина передается в виде определенной комбинации импульсов (кода). Предварительно она квантуется по уровню и по времени. Далее осуществляется кодоимпульс-ная модуляция (КИМ).

Кодоимпульсные системы имеют ряд преимуществ по сравнению с другими системами телеизмерения. Главными из них являются:

1) большая помехоустойчивость и, как следствие этого, возможность передачи телеизмерения на большие расстояния, особенно при ис- , пользовании помехозащищенных кодов;

2) большая точность телеизмерения. Погрешность в кодоимпульсных системах возникает при преобразовании измеряемой величины в код. Точность преобразователей, преобразующих измеряемые величины в код, может быть меньше 0,1 %,т. е. выше точности преобразователей других телеизмерительных систем, которая лежит в пределах 0,5—1,5 %;

3) лучшее использование канала связи в случае применения специальных кодов, статистически согласованных с передаваемыми сообщениями;

4) получение информации в цифровой форме, что позволяет: а) без сложных преобразований вводить информацию в цифровые вычислительные машины и устройства обработки данных; б) осуществлять цифровую индикацию показаний, обеспечивающую меньшую погрешность при считывании и простоту цифровой регистрации данных.

Однако кодоимпульсные системы значительно сложнее других устройств ТИ.
Поэтому их целесообразно использовать только в многоканальном исполнении.

Преобразование измеряемой величины в код

Преобразование непрерывной аналоговой величины в цифровой эквивалент — код — осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Как и в предыдущих импульсных устройствах ТИ, измеряемая величина может быть представлена в виде механического перемещения (углового или линейного) либо в виде электрической величины.
Преобразование перемещений в код. В основу преобразователей этого типа [5] положены два метода: метод пространственного кодирования и метод последовательного счета. При методе пространственного кодирования кодирующее устройство представляет собой маску, воспроизводящую требуемый код. Маска перемещается вместе с контролируемым объектом относительно считывающего устройства вращательно или поступательно. Выполнение маски и процесс считывания с нее показаний были рассмотрены в гл. 3. При методе последовательного счета подсчитывается число элементарных линейных перемещений, которое затем представляется в виде кода. Схема преобразователя перемещения в коде различением знака в зависимости от направления перемещения представлена на рис. 13.10. Два источника света падают на фотоэлементы Л и 5 (рис. 13.10, а). Контролируемый механизм в виде линейки с темными и светлыми участками, пропускающими свет, может передвигаться влево и вправо.
Преобразование электрических величин в код. Преобразование с промежуточным. параметром [5]. В этих устройствах измеряемая электрическая величина
(обычно напряжение, хотя могут преобразовываться также ток и сопротивление) преобразуется во вспомогательный параметр (временной интервал, частоту или фазу), преобразуемый, в свою очередь, в число импульсов, которое далее кодируется. Кодирование происходит по следующим схемам.

Напряжение — временной интервал — число—код. Кодирование по такой схеме показано на рис. 13.11, а. Для преобразования измеряемой величины Ux сначала в длительность импульса (временной интервал) может быть использован любой из рассмотренных время-импульсных преобразователей (ВИП). Элемент И открывается на время длительности импульса, снимаемого с ВИП. За это время с генератора стабильной частоты ГИ пройдет на счетчик тем больше импульсов, чем больше длительность импульса с ВИП. Сосчитанное число импульсов в виде двоичного кода снимается с выхода счетчика СГ2.
Точность преобразования зависит от совпадения фронтов импульса с ВИП длительностью Т с импульсами, поступающими от ГИ. На рис. 13.11,6 показано, что передний фронт импульса Т совпал с передним фронтом импульсов с ГИ. На счетчик с Г И прошло пять импульсов. Однако если импульс Г поступает на элемент И, как показано на рис. 13.11, в, то на счетчик с ГИ поступят только четыре импульса вместо пяти, т. е. возникнет отрицательная погрешность.
Совпадение передних фронтов импульсов Гит можно синхронизировать, но сделать так, чтобы длительность Т всегда была равна определенному числу периодов й.с, схема сравнения СС закрывает элемент Ио и подает сигнал на элементы И—Ип для считывания двоичного кода со счетчика. Количество импульсов, поступивших на счетчик, пропорционально преобразуемому напряжению Ux.

На рис. 13.14,6 показано, как от каждого импульса, поступающего с ГИ, увеличивается преобразованное в ЦАП (этот преобразователь будет рассмотрен позже) напряжение:
Uk=UoN (13.5)

Чем больше число импульсов в данном интервале счетчика, тем меньше значение (Uo=Uk-Ux (рис. 13.14, б). Нестабильность частоты генератора импульсов не влияет на точность преобразования напряжения в код.
Преобразователь по методу поразрядного кодирования (взвешивания). Он имеет более широкое применение

Рис. 13.14. Компенсационный кодирующий Преобразователь последовательного счета: б — временная диаграмма

Рис. 13.15. Преобразователь по методу поразрядного кодирования: а—функциональная схема; б—пример преобразования измеряемой величины в код; в — код, снимаемый с триггеров

вследствие большей по сравнению с другими преобразователями точности и высокого быстродействия.

В состав преобразователя, функциональная схема которого представлена на рис. 13.15а, входят следующие узлы: распределитель, преобразователь кода в напряжение ЦАП (он состоит из цифрового регистра на триггерах T1-T5, ключей
K1—K5, декодирующей сети сопротивлений и источника эталонного напряжения) и компаратор Кр, предназначенный для сравнения двух напряжений (входного сигнала их и сигнала Еэт с выхода ЦАП) и выработки выходного сигнала управления.
Импульсом первой ячейки распределителя триггеры устанавливаются в состояние, при котором с выходов триггеров Т1-T4 снимается 0, а с выхода триггера Ts—l. Этим сигналом переключается ключ Ks, через который подается эталонное напряжение Еэт на резистор Rs, вследствие чего на компаратор поступает наибольшее напряжение Ј„, составляющее в нашем случае 16 В.
Эталонное Е'эт и преобразуемое и, напряжения сравниваются в компараторе: при y,>Ј'„ на выходе компаратора сигнал отсутствует, при ^Eэт, то сигнал компаратора отсутствует, триггер T5 не переключается, а распределитель в следующем такте изменяет состояние триггера T4 и на входе компаратора окажется напряжение, равное 16+ +8=24 В.

Такая последовательность операций будет повторяться до тех пор, пока преобразуемое напряжение и, не будет скомпенсировано эталонным напряжением с выхода ЦАП с точностью до младшего разряда. В конце цикла на триггерах будет зафиксирован двоичный код, цифровое значение которого пропорционально и,. :

Таким образом, выходной код можно снимать или последовательно во времени в виде обратного двоичного кода с компаратора начиная со старшего разряда, либо параллельно в виде прямого двоичного кода с триггеров. На рис. 13.15, б представлен пример преобразования измеряемого напряжения и,=21 В.
Преобразование начинают со старшего разряда (как и взвешивание на весах, когда на чашу весов ставят гири начиная с наибольшей).

Сначала через резистор R5, к компаратору подключается напряжение 16 В и с выхода Qs снимается сигнал /, так как с компаратора сигнал не поступает
(16