Поскольку помехоустойчивость ТИС зависит в первую очередь от вида модуляции, используемой в канале связи, то ее целесообразно рассматривать далее в связи с соответствующими ТИС

Остальные метрологические характеристики не отличаются от характеристик ИИС вообще. Большое значение, чем в ИИС ближнего действия, имеют информационные характеристики (количество информации, скорость передачи, пропускная способность и т. п.).

17.2. ЛИНИИ СВЯЗИ 1

В телеизмерениях принято под каналом связи (КС) понимать совокупность линии связи (ЛС), передающей (,ПРД) и приемной (ПР) частей (рис. 17.1). В простейшем случае, обычно при относительно небольших расстояниях и аналоговых сигналах, при отсутствии ПРД и ПР понятия КС и ЛС совпадают (рис. 17.1,с). Различают симплексные КС, в которых обмен информацией производится в одном направлении (рис. 17,6), и дуплексные - в двух направлениях (рис. 17.1,в).

Остановимся на основных характеристиках ЛС. Изучением ЛС и процессами П|рохождения по ним сигналов занимается теория связи. Здесь приводятся лишь основные сведения о ЛС, необходимые для общего изучения ТИС. Далее рассматривается лишь ЛС, предназначенные для обмена информацией с помощью электрических сигналов. Акустические, пневматические, гидравличе-

ПРД

ПРД

ПРД

Рис. 17.1. Виды каналов связи:

а- совмещение КС и ЛС; б-симплексный КС; е-дуплексный КС

ские, механические ЛС используются для передачи измерительных сигналов на небольшие расстояния в специальных условиях (например, в пределах скважины). Весьма перспективны с точки зрения расширения частотного диапазона, возможности одновременной передачи информации по большому количеству КС одновременно в одной ЛС, повышенной помехозащиты и т. п. оптические линии связи. Оптические линии связи уже получили права гражданства и применяются в ТИС.

Проводные линии связи характеризуются следующими первичными параметрами: погонными активным /?о> Ом/км, емкостным Со, мкФ/км, индуктивным Lo, мГн/км, сопротивлениями и погонной проводимостью (утечкой) Go, 1/(0м-км). Погонное активное сопротивление является известной функцией от удельного сопротивления, геометрических размеров проводов /?о=р/4лг

темперaTypbui?o*=?o [1--а(-20)] и частоты (поверхностный эффект). Напомним, что для меди а составляет 0,0039, для железа - 0,0046 Ом/°С, а поверхностный эффект существенно проявляется для стальных проводов при частотах сигналов в несколько килогерц.

Погонные индуктивность и емкость двухпроводной линии (рис. 17.2,G) равны Lo=[41n (fc,/r)+fepi) и Со=8-10-7(361п Ь/г).

Как известно, магнитная проницаемость меди равна 1, железа - около 140 и заметно изменяется с частотой, диэлектрическая постоянная е воздуха равна I

J.O-L

~3 6)

-olz

Рис. 17.2. Двухпроводная линия связи:

а - сечение двухпроводной линии; б - распределенные параметры двухпроводной линии

Примерные значения погонных сопротивлений двухпроводных линий для сигналов постоянного тока при температуре 20°С следующие [17.2]:

Погонное сопротивление изоляции 7?оиз очень существенно зависит от внещних условий (нанример, дождя, снега, температуры для воздушных линий, температуры грунта для кабельных Л С).

Относительно большие погонные активное сопротивление и емкость кабельных ЛС определяются малым диаметром жил и малым расстоянием между ними в кабеле.

Для двухпроводной линии связи с распределенными параметрами (рис. 17.2,6) справедливы так называемые уравнения телеграфной линии, которые изучаются в теоретических основах электротехники: f7i=f72 ch vZ--/2Zc sh у/ и /i=/2 ch у/+(г7/2,с) shyZ. Заметим, что при относительно небольших расстояниях км) ch 71--(у2/2/2), shyZY и эти уравнения могут быть записаны в более простом виде.

В этих выражениях использованы вторичные параметры линий связи: коэффициент распространения или постоянная затухания (1/км)

и волновое сопротивление (Ом)

Z,=y(?o + Mo)/(Go + /-C ).

При ш = 0 (для кабельных ЛС при частотах ниже Ю кГц) у = -УКСо. Zc[=--VRJC , при ш £ (для воздушных ЛС> 10 кГц, кабельных > 100 кГц) у = К^о^о. = Vi-jC,.

Затухание мощности в ЛС оценивается в неперах (Ни): 6= = (1/2) 1п {Pi/Pz), удельное затухание обозначается а (Нп/км). Если установить номинальную мощность сигнала Ро=1 мВт= =0,775V600 В^/Ом, то можно характеризовать мощность сигнала в неперах в любой точке ЛС: Р=(1/2)1п(Ро).

4- S

-О 100 300

1410 ю

зл-10

10 10 10 Ги,

Рис. 17.3. Частотные диапазоны проводных линий связи:

/ - тональные телефонные каналы; 2 - надтональные каналы; 3 - высокочастотные каналы на воздушных линиях; 4 - высокочастотные каналы на симметричных кабелях; 5 - высокочастотные каналы на коаксиальных кабелях

Для стальных проводных линий и^0,16 Нп/км, для медных а^0,038 Нп/км, для высокочастотных кабельных линий связи а^0,28У/1Нп/км (здесь / - в .МГц).

Для телефонного канала Международным консультативным комитетом по телефонии и телеграфии выделяются полосы частот

=4 кГц, из них от О до 300 и от 3400 до 4000 Гц могут быть использованы для служебных каналов и сигналов ТИС (рис. 17.3).

Существует аппаратура для разделения частотного телефон ного канала на 16 каналов для телемеханики, а также для промежуточного усиления сигналов, которая размещается в линиях связи через 60-250 км.

Частотные диапазоны для проводных линий связи показаны на рис. 17.3.

Для передачи телеизмерительной информации могут использоваться высоковольтные линии электропередачи, оборудованные заградительными устройствами, фильтрами, передающей и приемной телеизмерительной аппаратурой (рис. 17.4). Сигналы ТИС в воздушных линиях электропередачи передаются на частотах от 20 до 1000 кГц, в кабельных линиях электропередачи - до 20 кГц. Уровень сигнала в таких ЛС рекомендуется повышать до 4,5 Ни из-за помех.

Промышленностью выпускается аппаратура, позволяющая реализовать каналы связи на линиях электропередачи [17.2]. В телемеханических устройствах в качестве ЛС используют распределительные силовые сети шахт, железных дорог, местного транспорта, сельскохозяйственных сооружений, обычно в полосе частот от 15 до 200 кГц.

Загра'аитепь --~

ный конденсатор

Рис. 17.4. Использование высоковольтной линии в качестве линии Связи

При передаче информации по радиоканалу во избежание воздействия помех мощных радиостанций и промышленных объектов, а также явлений резкого изменения уровня радиосигналов в ТИС используется частотный диапазон от 300 МГц и до 30 ГГц (от метровых до сантиметровых длин волн).

Реализуются радиоканалы с помощью выпускаемой промышленностью приемопередающей УКВ-радиоаппаратуры, а также аппаратуры радиорелейных линий. При этом через 4С-60 км необходимо использовать ретрансляционные станции.

В ТИС необходимо учитывать влияние помех, действующих на ЛС. Атмосферные помехи вызываются разрядами молний (на Земле происходит до 100 гроз в секунду), космическими шумами, изменением условий прохождения радиоволн, местными разрядами при снегопадах и т. п. Индустриальные помехи определяются в первую очередь емкостными и индуктивными связями ЛС с высоковольтными линиями электропередачи, коронными разрядами и коммутационными процессами в линиях электропередачи, помехами от мощных радиостанций и т. п.

Основные виды помех сводятся к флуктуационным и синусоидальным помехам различных частот, одиночным импульсам и пачкам (до 10-20) импульсов.

Количественная оценка помех, действующих на данную ЛС, должна производиться с учетом конкретных условий. Для экспериментального получения такой оценки используется соответствующая аппаратура. Однако могут быть приведены некоторые общие соображения. Так, например, расчетный уровень помех в линиях электропередачи на рабочей частоте от 30 до 120 кГц в полосе 5 кГц принимается равным для линий 35 кВ 4,5 Ни, ПО кВ 3,5 Нп, 220 кВ 2,5 Нп; среднее квадратическое значение флуктуационной помехи типа белого шума в полосе частот А/ при значении спектральной плотности мощности на данной частоте. So(f)

равно fysjJVt-

Для уменьшения влияния помех в воздушных и кабельных ЛС производится симметрирование, главным образом путем скрёЩИт вания проводов, и экранирование, а в радиоканалах, как уже говорилось, организуется связь на УКВ. - . t м'

17.3. РАЗДЕЛЕНИЕ СИГНАЛОВ В ТИС . - г/-.

Временное разделение сигналов .

Передача большого объема измерительной информации W ТИС наиболее часто производится с помощью временного разделения сигналов, т. е. последовательно во времени. В телемеханике при-

нято считать, что ТИС с временным разделением сигналов от многих источников информации относятся к многоканальным ТИС.

Временное разделение аналоговых измерительных сигналов может быть в ТИС организовано с помощью измерительных цепей со сканирующими датчиками или с коммутаторами.

Требования к быстродействию коммутаторов и сканирующих устройств обусловливаются, с одной стороны, характеристиками канала связи, а с другой стороны, видом модуляции и требова кчями к точности передачи сигналов. При этом необходимо учитывать, что при коммутации и сканировании может изменяться

вид модуляции исходной величины (например, вместо АМ - ДИМ), что ограничение времени передачи сигнала может сказаться на точности передачи.

Для передачи информации от разных источников информации по одной линии связи необходимо произвести унификацию сигналов (см. гл. 7).

Временное разделение кодоимпульсных сигналов может быть организовано при подаче сигналов в каналы связи с выхода цифровых измерительных устройств сканирующего типа, устройств с коммутаторами и мультиплицированных устройств. Поскольку в ТИС каналы связи предназначены для обмена информацией, характер которой заранее определен, то при выполнении обмена могут передаваться не все виды информации, предусмотренные обычными протоколами обмена в последовательном интерфейсе (см. гл. 5). Например, при циклическом режиме работы коммутаторного устройства можно не передавать адресную информацию В целях повышения помехоустойчивости и адресации принятых сигналов при циклическом режиме обмена .информации синхронизируется работа коммутаторов на передающей и приемной частях ТИС (рис. 17.5).

Если на передающей и приемной частях ТИС имеются генераторы импульсов тактовой частоты, обладающие высокой стабильностью по частоте и фазе в течение времени одного цикла передачи сигналов, например за цикл работы коммутатора, то достаточно произвести их подстройку 1 раз за этот цикл. Для этой цели используется передача специального синхронизирующего импульса вс, отличающегося от измерительных сигналов. На приемном конце этот импульс выделяется с помощью схемы цикловой синхронизации ЦС и используется для подстройки генератора GN.

Для аналоговой многоканальной ТИС с цикловой синхронизацией (рис. 17.5) СЛСА будет иметь вид:

Рис. 17.5. Синхронизация коммутаторов

начальные условия

\ Фо (В) Фо [G/V, (/, ф), GN2 (f, q>), i=0] X

коммутация

X {[L Фо1 {г : =i+1; f, ф) Il (Xlxi) ] \\ X

Xll[L4>02(i:=i+l: /, Ф)Ф2(ПА-)]}Х

передача и прием \

X[h{Xi) 1к.с(Хг*) I2(X,*) ...]Х :

подстройка генератора

Х1.(ес)1к.с(ес){[со2(ес) lMMi)]\\Wi{ec) 1]}Фо{Е).

Можно управлять работой коммутатора К2 от каждой импульсной посылки сигнала после коммутатора Ki. Такой режим работы носит название внутрицикловой синхронизации. Если для измерительных сигналов с угловой модуляцией выделение импульса для управления коммутатором KJ2 на приемной части ТИС может производиться по амплитуде предаваемого измерительного сигнала, то для импульсов АИМ нужно специально формировать отличающийся от измерительного сигнала импульс вс. Таким образом, на выходе коммутатора К\ выдаются импульс и измерительный сигнал (ее, Xi). Функционирование схемы (рис. 17.5) с внутрицикловой синхронизацией (схема ВЦС) при начальных условиях фо [G(f, ф), 1=0] будет описываться следующей СЛСА:

. LQoi(i:=i+l) I, {Х/ес, х,)Х

Х1кс(£с, Хг*)а>2{ес)ц)2(пЦ) h {Хг*)т{.1=п; At) П-

Обычно время, необходимое для передачи информации при внутрицикловой синхронизации, больше, чем при цикловой.

В некоторых случаях для синхронного управления операциями обмена информацией в ТИС можно использовать силовую электросеть с частотой 50 Гц.

В заключение отметим, что в передающей части ТИС с временным разделением сигналов встречаются последовательная, параллельно-последовательная и, реже, мультиплицированная структуры, а в приемной части - последовательная и последовательно-параллельная структуры.

Частотное разделение сигналов / - .

Частотное разделение сигналов в ЛС позволяет организовать на ней несколько независимо и параллельно действующих частотных КС (рис. 17.6) J

>

Рис. 17.6. Частотная многоканальная ТИС

Для каждого КС выделяются полоса частот Цг и. средняя частота а также защитный интервал Д/з. Таким образом, каждый КС занимает полосу частот (Д/г+Д/з).

Если Afj=const, Д/з=соп81, а количество КС равно п, то частотный диапазон ЛС должен быть

Д/к^п (Д/+Д/з) =пЦ (1+тз/).

Если принять, что эффективность использования КС определяется произведением полосы пропускания КС и полного времени передачи п измерительных сигналов, то для частотного разделения

Д/ Г=п(1+тз/).

При временном разделении минимальное время передачи сигнала tn=l/fK, а защитный интервал между сигналами равен з.и-Тогда время передачи при временном разделении п сигналов будет равно T==ntii(l+msM)- Отсюда Д/кГ=п(1+тз.и). В [17.3] делается на основании приведенных вьше рассуждений вывод, что эффективность использования КС определяется главным образом размерами защитных интервалов.

Количество частотных КС не только определяется соотношением частотных характеристик линии и отдельного КС, но и ограничивается наличием перекрестных помех между КС и необходимостью увеличения защитных интервалов. Причинами возникновения этих помех являются импульсы и гармоники сигналов, спектр частот которых перекрывает защитные интервалы, а также нелинейные искажения КС.

Если в КС передается сигнал f/ x - S у^- 1° сигнал на

выходе КС в результате нелинейных искажений в нем

k=l /=1

... I N \к\

4-=i

V cosro.f /=1

Учитывая, что cos ш/cos =-g-[cos -1-0)2)+005(0),-Шг)

;2cuZ=(l/2)cos(2cuZ-f-l), в (/вых будут составляющие с суммами, раЬностями, произведениями частот и т. п. При Л^=10 и /(=3 число^ составляющих типа сумм и разностей частот равно 480, а при Л^==15 равно 1820. Все сказанное приводит к тому, что на одной ЛС в ТИС организуются обычно не более 10 частотных КС.

Ортогональное разделение сигналов

В системах связи используется ортогональное разделение сигналов, позволяющее организовать на одной линии связи несколько параллельных КС [17.8].

Ортогональные функции ф(/, 6) заданы на интервале Q=t/T от -1/2 до 4-1/2 и формируются на передающей и приемной частях ТИС (рис. 17.7). В КС передается сигнал F(Q) =

- 2 ХгЦ>{1, 6), являющийся функцией от всех передаваемых

измерительных сигналов. Разделение сигналов производится на приемной части, при этом используется известное свойство ортогональных многочленов:

\ <P(t. 6)<P(i. 6)d6=l -i/2

и

\ (p(i, 6)(p(t, 6)d6 = 0. -i/2

Тогда

1/2 1/2

\ F{b)r{i. 6)de= 5 [x,f{l. b) + ...-{-x,f{i. 6)-f... -1/2

.-.+х„ .(р(/г- 1, 6)](p(i. F(e)=exi<p{i,e)

-1/2

Рис. 17.7. ТИС с ортогональным разделением сигналов

Следует отметить большое разнообразие ортогональных функций, которое может быть использовано в таких ТИС (см. гл. 11).

Одна из наиболее простых (реализаций ортогонального разделения сигналов связана с генерированием функций Уолша, а т^к-же синусоидальных и косинусоидальных колебаний. В последнем случае, например при передаче четырех сигналов, формируется

F (6) =xi ]/2 sin 2яе+Х2 К2 cos 2jte+

-[-XzV 2 sin 4ле+Х4 cos 4яе. I

Минимальное время интегрирования будет здесь определяться наименьшей частотой.

В заключение этой главы следует сказать, что в ТИС наибольшее распространение имеет временное разделение сигналов. Частотное разделение иногда используется для одновременной, параллельной передачи каждой кодовой комбинации. При этом каждый частотный КС используется в режиме временного разделения сигналов. Комбинированные способы разделения сигналов позволяют рационально использовать их положительные свойства [17.4].

Глава 18

СТРУКТУРЫ и ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ ТИС 18.1. АНАЛОГОВЫЕ ТИС

в одноканальных аналоговых ТИС (рйс. 18.1) канал связи непосредственно входит в измерительную цепь и поэтому должен рассматриваться как аналоговый измерительный преобразователь.

КС

Рис. 18.1. Одноканаль-ная аналоговая ТИС:

ЯЯД-передатчик; ЛС-

линия связи; ЯР-приемник: КС- канал связи

Результат измерения в таких ТИС получается на приемном конце системы.

По каналам связи аналоговых ТИС передаются сигналы с амплитудной, частотной и фазовой, а также с амплитудно-импульсной, частотно-импульсной и широтно- или времяимпульсной модуляцией (см. гл. 7).

Телеизмерительные системы с амплитудно-модулированными сигналами

В таких ТИС используется двухпроводная линия связи, по которой передаются сигналы в виде постоянного тока или напряжения. Известны логометрические измерительные схемы, в кото-

рых влияние параметров ЛС на погрешность измерения удается существенно уменьшить. Однако для их реализации необходимо-применять трехпроводную ЛС. Поэтому они не нашли широкого 1 применения в ТИС.

1 К основным разновидностям ТИС с амплитудно-модулирован-ными сигналами относятся системы некомпенсационные и компенсационные, токовые и напряжения. В таких ТИС входные величины (неэлектрические или электрические) преобразуются в эквивалентный по информационному содержанию унифицированный сигнал постоянного тока. Для выполнения этих преобразований разработан и выпускается промышленностью ряд преобразователей [17.1, 17.2]. В индукционных преобразователях угла поворота стрелки прибора на тот же угол перемещается катушка в переменном магнитном поле, а затем индуцированный в катушке переменный ток выпрямляется. Известны индукционные преобразователи, имеющие линейную зависимость выходного тока от угла поворота в пределах от -70 до -[-70° с погрешностью ±2,5%. Индукционные преобразователи линейных перемещений работают в диапазоне от десятков до тысячи миллиметров и выдают ток или напряжение. Они исполняются в виде трансформаторных датчиков или преобразователей с распределенными параметрами и имеют погрешность порядка от ± 1 до ±2,5%. В выпрямительных устройствах для преобразования переменных токов и напряжений приняты меры по уменьшению погрешностей от нелинейности выпрямителей, от температурных влияний и от изменения частоты.

Имеется довольно большое количество разработанных преобразователей активных и реактивных мощностей трехфазных цепей в сигнал постоянного тока. Здесь можно напомнить об использовании преобразователей Холла, умножителей экспоненциальных, сигналов, квадраторов сумм и разностей сигналов и т. д.

На приемном конце в токовых некомпенсационных ТИС применяются магнитно-электрические измерительные механизмы имеющие линейную зависимость угла поворота подвижной части от тока и высокую чувствительность. Высокая чувствительность, измерительного механизма позволяет для уменьшения влияния-изменения сопротивления ЛС на погрешности измерения включать последовательно (обычно до ЛС) дополнительный резистор с большим сопротивлением.

Для воздушных ЛС влияние токов утечки и сопротивлений столь велико, что применение таких ТИС при длине ЛС больше 7-10 км может привести к погрешностям, превышающим несколько процентов. При длине кабельных линий связи более 20-50 км погрешность ТИС также становится недопустимо большой. Для расчета погрешностей могут быть использованы приведенные выше уравнения.

-Компенсационные токовые ТИС, как известно- могут быть основаны на использовании статического или аг-татического регулирования, , . .