Телеизмерение. 
Телеизмерительные системы ближнего действия

Телеизмерение. Электроизмерительные приборы, осуществляющие измерение различных параметров электроустановок, как правило, устанавливаются на щитах управления, удаленных от точек замера на несколько десятков метров, т. е. системы измерения практически всегда являются дистанционными. Однако радиус действия таких систем дистанционного измерения невелик и ограничивается несколькими сотнями метров. Дальнейшее увеличение расстояния передачи приводит к недопустимо большим погрешностям и потерям энергии в линии связи. В то же время в современных условиях возникает необходимость передачи результатов измерений на сотни и тысячи километров. Эту задачу решает специальная область телемеханики — телеизмерение.

В системах телеизмерения по каналу связи передается не сама измеряемая величина, а соответствующая ей вспомогательная величина, более удобная для передачи на дальние расстояния и менее подверженная различным искажениям в канале связи. При этом стремятся обеспечить минимальные потери энергии при передаче.

Функциональная схема телеизмерительной системы показана на рис. 6.10. Основными частями системы являются передающее и приемное устройства и связывающий их канал связи. В передающем устройстве осуществляется преобразование действительной измеряемой величины А во вспомогательный параметр у_х телепередачи. Это преобразование выражается зависимостью.

В процессе передачи вспомогательного параметра на него могут действовать помехи, и на выходе канала связи в приемное устройство поступит не передаваемый сигнал у 1, а изменившийся сигнал.

На выходе приемного устройства после преобразования сигнала у₂ показание воспроизводящего прибора выражается формулой.

Погрешность вспомогательного параметра, вызванная искажением этого параметра при передаче по каналу связи, определяется как.

Погрешность телеизмерения определяется как разность между значением измеряемой величины, отсчитанным по шкале воспроизводящего прибора, и действительным значением измеряемой величины: АА-а-А. Чаще погрешность телеизмерения оценивают в процентах от действительного значения измеряемой величины:

Рис. 6.10. Функциональная схема телеизмерительной системы.

По характеру вспомогательной величины (параметра телепередачи) телеизмерительные системы подразделяются на две основные категории. В системах первой категории в зависимости от значения измеряемой величины изменяется интенсивность передаваемой по каналу связи электрической энергии (тока или напряжения). Такие системы получили название телеизмерительных систем интенсивности. В таких системах передаются непрерывные (аналоговые) сигналы, для передачи которых, как правило, используется постоянный ток, так как в этом случае не оказывают влияния индуктивное сопротивление линии и ее емкостная проводимость.

Системы интенсивности применяют при сравнительно небольших расстояниях передачи, так как при значительных расстояниях сильно возрастают погрешности от изменения параметров канала связи. Поэтому системы интенсивности часто называют телеизмерительными системами ближнего действия.

В системах второй категории измеряемая величина преобразуется в передаваемый по каналу связи код. Благодаря этому изменение затухания, вносимого каналом связи, не искажает параметра телепередачи. Такие системы могут использоваться для передачи на практически неограниченные расстояния. Их называют телеизмерительными системами дальнего действия.

Телеизмерительные системы интенсивности. На рис. 6.11 показана двухпроводная телеизмерительная система ближнего действия с датчиком сопротивления, в которой мерой измеряемой величины служит постоянный ток. Поэтому такую систему измерения называют системой тока.

Система измеряет уровень жидкости в резервуаре. Первичный измеритель — поплавок П сочленен с датчиком сопротивления ДС, который используется в качестве делителя напряжения. Груз Г, являясь противовесом, уравновешивает вес поплавка. В зависимости от уровня жидкости Н (на рис. 6.11 не показано) как было ранее и положения поплавка П меняется соотношение плеч делителя ДС, а следовательно, и подводимое к линии связи напряжение U_x. В цепь линии связи включен балластный резистор R₆, выполненный из манганиновой или констаптановой проволоки с низким температурным коэффициентом сопротивления. Балластный резистор, сопротивление которого выбирается в несколько раз большим, чем сопротивление линии, служит для ограничения погрешности от изменения сопротивления линейных проводов при изменении температуры. На приемном конце линии включен приемный прибор ПП, например, магнитоэлектрический гальванометр.

Рис. 6.11. Двухпроводная телеизмерительная система интенсивности с датчиком сопротивления.

Если сопротивление линейной цепи, включая балластный резистор, значительно больше сопротивления датчика, то подведенное к линии напряжение изменяется пропорционально отношению сопротивления г активного плеча делителя напряжения к полному сопротивлению датчика R. Это отношение, в свою очередь, пропорционально отклонению уровня жидкости h или углу поворота, а первичного измерителя ПИ и датчика сопротивления ДС:

Ток в линии также изменяется пропорционально углу а:

Таким образом, показание приемного прибора будет пропорционально углу поворота подвижной части первичного измерителя. Шкала прибора градуируется в значениях измеряемой величины.

Само собой разумеется, что напряжение питания U₀ должно поддерживаться постоянным. Отклонение напряжения от номинального значения вызывает погрешность телеизмерения. Другим источником погрешности является возникновение утечки между проводами линии связи. Заметим, что изменение сопротивления линейных проводов не вызывает заметной погрешности телеизмерения: так как сопротивление балластного резистора обычно в 20 и более раз превышает сопротивление линейных проводов, поэтому изменение сопротивления их почти не сказывается на полном сопротивлении цепи.

Система напряжения в отличие от системы тока представляет собой такую систему интенсивности, в которой приемное устройство обладает значительным сопротивлением, вследствие чего приемник измеряет напряжение, приложенное к передающему концу линии связи. На рис. 6.12 приведена упрощенная потенциометрическая (нулевая) телеизмерительная система напряжения. На передающем конце линии связи измеряемая величина А преобразователем Пр преобразуется в ЭДС Е_{ постоянного тока. Значение этой ЭДС передается по линии связи. На приемном конце к линии присоединен автоматический потенциометр, напряжение на входе которого равно U_x. Автоматический потенциометр представляет собой балансное устройство, служащее для автоматического измерения напряжения (обычно постоянного тока). В большинстве случаев АП является астатической системой автоматического регулирования.

Принцип действия автоматического потенциометра прост. Измеряемое напряжение f/j уравновешивается с помощью напряжения U₂, снимаемого с реохорда Р. В схеме все время поддерживается равенство U_x = U₂. Если измеряемое напряжение f/j изменяется, то на входе нуль-органа, НО появляется напряжение разбаланса AU = U_{ — t/₂, которое усиливается усилителем У и подается на реверсивный балансный двигатель БД. В зависимости от знака напряжения разбаланса двигатель БД начинает вращаться в ту или иную сторону и перемещает движок реохорда Р до тех пор, пока вновь не установится нарушенное равновесие напряжений U_{ = U₂. Таким образом, перемещение движка реохорда Р пропорционально значению измеряемого напряжения U_{. Движок связан со стрелкой, указывающей на шкале автоматического потенциометра значение измеряемой величины.

Особенностью схемы является то, что орган сравнения (нуль-орган) НО автоматического потенциометра устанавливает на его выходе такое уравновешивающее напряжение U₂, при котором ток в линейных проводах, соединяющих источник измеряемого напряжения и автоматический потенциометр, становится равным нулю. Поэтому изменение сопротивления линейных проводов не вызывает погрешности показаний. Не вызывает погрешности и изменение коэффициента усиления усилителя У. В этом случае изменяется лишь частота вращения двигателя и, следовательно, время уравновешивания потенциометра.

Замечание б. З Полное отсутствие погрешности от изменения сопротивления линейных проводов и коэффициента усиления усилителя в рассматриваемой балансной системе может иметь место лишь в том случае, если орган сравнения НО, усилитель У и балансирующий двигатель БД не имеют зону нечувствительности. Существующие в действительности зоны нечувствительности вносят некоторую незначительную погрешность.

При достаточно высокой чувствительности органа сравнения изменение сопротивления линейных проводов не будет вызывать погрешности телеизмерения. Однако погрешности от понижения сопротивления изоляции между проводами линии связи здесь не устраняются.

Рис. 6.12. Упрощенная потенциометрическая система напряжения.

Замечание 6.4.

В качестве канала связи для систем тока и напряжения могут использоваться только проводные цепи. Наиболее существенным источником линейной погрешности является изменение сопротивления изоляции между проводами. Сопротивление изоляции воздушных линий в значительной степени зависит от метеорологических условий. Поэтому системы интенсивности применяют главным образом при наличии кабельных линий связи. Длина таких линий обычно не превышает 15—25 км.

Пример 6.1.

В двухпроводной телеизмерительной системе интенсивности с датчиком сопротивления, показанной на рис. 6.11, жилы кабеля линии связи выполнены медным проводом диаметром d — 0,5 мм. Длина кабеля / = 10 км. При изменении температуры от 20 до 40 °C сопротивление линии изменяется на 8% (4% на каждые 10°С). Каким должно быть сопротивление балластного резистора R^, включенного последовательно с линией связи, чтобы погрешность измерения при изменении температуры в указанном диапазоне не превышала 1%? Сопротивлением приемного прибора пренебречь.

Решение

Сопротивление двухпроводной линии связи длиной 10 км при температуре 20 °C находим следующим образом:

Здесь р = 1,784 • 10^-8 Ом м — удельное сопротивление медного провода; S — поперечное сечение провода;

Вычислим сопротивление двухпроводной линии связи при температуре 40°С:

Сопротивления балластного резистора и линии при температурах 20 и 40 °C должны отличаться не более чем на 1%. Иначе говоря, отношение их должно быть не более 1,01, т. е.

Таким образом, выбираем балластный резистор из константана сопротивлением 13 кОм.

Замечание 6.5.

Следует иметь в виду, что для системы тока расстояние передачи по кабелю связи может ограничиваться величиной напряжения, приложенного к кабелю при размыкании цепи на приемном конце. Если в нормальных условиях большая часть создаваемого датчиком напряжения падает на балластном резисторе, а падение в линейной цепи невелико и составляет всего несколько вольт, то при размыкании линейной цепи полное напряжение датчика будет приложено к линии связи. Напряжение между жилами телефонного кабеля не должно превышать 80 В. Чем длиннее кабель, тем больше сопротивление его проводов и больше сопротивление балластного резистора. Следовательно, требуется и большее напряжение датчика, которое не может быть более 80 В. Этим и ограничивается длина кабеля связи.

Пример 6.2

Телеизмерительная система напряжения, показанная на рис. 6.12, служит для контроля термоЭДС, номинальное значение которой А_п = U_]u = 10 мВ. Минимальное значение небаланса нуль-органа составляетМ = AU = 20 мкВ. Определите приведенную погрешность измерения.

Решение

Погрешность измерения определяется по формуле.