Телеметрия

ТелеметрияТЕЛЕМЕТРИЯ, телеизмерения, иногда - дальноизмерения, специальная область техники, заключающая в себе устройства и аппаратуру для передачи на расстоянии показаний контрольно-измерительных приборов. Являясь одной из существеннейших частей телемеханики как самостоятельная дисциплина, телеметрия оформилась совсем недавно (первые работы появились в 20-х гг. 20 в.), поэтому до настоящего времени мы еще не имеем ни единой классификации систем телеметрии, ни общепринятой установившейся терминологии. Довольно трудно провести ясную границу между обычными измерительными устройствами и устройствами телеметрии. Предлагавшийся критерий - расстояние, на которое производится передача показаний и соответственно с этим тройное деление всех устройств на собственно измерительные (без передачи показаний), дистанционные (передача на малые расстояния порядка 100—200 м) и телеизмерительные (передача на большие расстояния), - страдает значительной неопределенностью. Поэтому целесообразнее определять установки телеметрии, исходя из характера самой передачи. Например, во временных технических условиях на телеметрического устройства, проект которых составлен Комитетом автоматики (Москва), дается достаточно конкретное определение: «Измерительные устройства называются телеизмерительными (т. е. дальноизмерительными), когда они путем преобразования измеряемых величин в другой род величин дают возможность передачи их на значительные расстояния по проводам, меньшим по числу и меньшего сечения, чем при обычных методах измерений».

Основные требования, предъявляемые к устройствам телеметрии, следующие: 1) Абсолютная надежность действия устройства. Под надежностью действия следует понимать не только безотказную передачу показаний как при нормальном режиме, так и при некоторых отклонениях от него, но также и отсутствие искажений передаваемой величины. Допустимая погрешность передачи зависит от характера передаваемой величины и определяется техническими условиями. Обычно погрешность лежит в пределах от 1 до 3—4%. 2) Максимальная простота и дешевизна. Это требование распространяется как на само устройство, так и на эксплуатацию его (например, число источников питания, потребность в обслуживании персоналом высокой квалификации, легкая замена деталей, вышедших из строя, и пр.). 3) Возможность суммирования показаний на передающем и приемном концах. Это требование является специфическим, предъявляемым гл. обр. энергохозяйством (электрические станции) чаще всего к телеваттметрам и иногда к телеамперметрам. Следует заметить, что иметь возможность получать сумму показаний, например ваттметров отдельных агрегатов электростанции, необходимо не только в случае телеуправляемой станции, но также и при ее непосредственном обслуживании. Поэтому не всегда целесообразно предъявлять к устройствам телеметрии требование возможности суммирования показаний на передающем конце, что бывает часто достаточно затруднительно для осуществления. Рациональнее выделить (как это в последнее время и намечается) вопросы суммирования на передающем конце в качестве самостоятельной проблемы, непосредственно с телеметрией несвязанной. Суммирование на приемном конце более свойственно телеметрии: технически оно обычно осуществляется значительно проще. 4) Возможность силового отсчета. Под этим понимается получение на приемном конце мощности, достаточной для приведения в действие какого-либо исполнительного механизма (например, реле). Это требование непосредственно к телеметрии не относится и вытекает из условий полной телемеханизации производственного процесса; по существу, оно сводится к вспомогательной проблеме - усилению приходящих сигналов. 5) Возможность многократного использования каналов связи. Это требование является для советских условий весьма актуальным. При тех громадных расстояниях, на которые в связи с проблемой единой высоковольтной сети (ЕВС) необходимо передавать показания в СССР (до 1000 км), совершенно очевидна полная невозможность прокладки в каждом отдельном случае специальных проводов (каналов связи). Устройства телеметрии будут достаточно рентабельны только при широком применении совершенных методов многократной передачи, в частности при использовании в качестве канала связи самой высоковольтной линии (методы высокочастотной телефонии). Возможность многократной передачи является совершенно необходимым условием, обязательным для всех устройств телеметрии, рассчитанных на работу при средних и больших расстояниях (свыше 100—150 км).

Несмотря на непродолжительность существования телеметрии как самостоятельной отрасли техники число существующих систем весьма значительно. Не пытаясь дать исчерпывающую классификацию всех систем телеметрии, можно, однако, разделить их на две большие группы: системы некомпенсированные и системы компенсационные (компенсированные). Некомпенсированные системы в свою очередь можно разделить на системы с непосредственным преобразованием, системы с посторонними источниками тока, системы с мотор-генераторами и наиболее совершенные - импульсные системы. Компенсационные системы делятся на системы постоянного тока и системы переменного тока (индукционные).

А. Некомпенсированные системы. 1. Системы с непосредственным преобразованием. Эти системы, пригодные почти исключительно для телеэлектрических измерений, основаны на преобразовании величины, подлежащей передаче, при помощи какого-либо приспособления в постоянный электрический ток, значение которого является функцией передаваемой величины. Подобные системы помимо ограниченности характера передаваемых величин обладают рядом недостатков. Основные из них - значительная погрешность передачи, при этом обычно переменная в связи с изменением внешних факторов (например, температура, сопротивление соединительных проводов и пр.), и сравнительно малый радиус действия - порядка 10 км. Технически наиболее разработанной является система Фаусетта, предназначенная для передачи на расстоянии силы тока, напряжения и активной мощности. Умформером, преобразующим передаваемую величину в постоянный ток, в этой системе служат термоэлементы, термоэдс которых измеряется на расстоянии при помощи чувствительного стрелочного гальванометра постоянного тока. Т. к. эта ЭДС очень невелика (максимум 50 mV), то радиус действия подобной установки ограничивается 10—15 км. Телеизмерение мощности по системе Фаусетта достигается путем комбинированного включения двух термоэлементов по схеме фиг. 1.

Телеизмерение мощности по системе Фаусетта достигается путем комбинированного включения двух термоэлементов по схеме

Вторичные обмотки двух трансформаторов тока Т1 и Т2 замкнуты на нагревательные нити аb двух термоэлементов, т. ч. токи в них направлены в разные стороны. Обе нити кроме того соединены последовательно и приключены к вторичной обмотке трансформатора напряжения T3. Т. о. в нити одного термоэлемента ток пропорционален сумме мгновенных значений тока и напряжения, а другого - разности. Благодаря квадратичной характеристике мгновенное значение результирующей термоэдс (равной разности ЭДС термоэлементов) будет пропорционально произведению мгновенных значений тока и напряжения, т. е. активной мощности. К специфическим недостаткам системы надо отнести очень малую перегрузочную способность и хрупкость термоэлементов. Система позволяет осуществить суммирование путем последовательного включения отдельных термоумформеров и измерения суммарной ЭДС. Делались попытки заменить термоэлементы более выносливыми преобразователями, например, меднозакисными (купроксными) выпрямителями в системе инж. Михайлова (ВЭИ). Эта система рассчитана на передачу значений тока и напряжения. Для измерения мощности также м. б. применены выпрямители, включаемые по схеме, аналогичной фиг. 1. Многократно передача показаний при этих системах невозможна.

2. Системы с посторонним источником тока. Эти системы основаны на том, что в цепь вспомогательного источника тока (чаще всего постоянного) включается переменное сопротивление, значение которого является функцией передаваемой величины (показания прибора). Тогда при неизменности напряжения вспомогательного источника ток в этой цепи, измеряемой на расстоянии, будет также функцией передаваемой величины. Для устранения влияния изменения напряжения вспомогательного источника иногда измеряют непосредственно сопротивление, например при помощи омметра со скрещенными катушками, показания которого не зависят от напряжения. Применяя вспомогательный источник с достаточно высоким напряжением (24—48 V), можно перекрывать значительные расстояния, до 100 км. Однако и в этих системах остается сильное влияние внешних факторов. Все системы, основанные на этом принципе, отличаются одна от другой гл. обр. конструкцией переменного сопротивления. Наибольшее распространение получила система фирмы Сименс и Гальске, в которой переменное сопротивление выполнено след. образом: в герметически закрытой стеклянной кольцевой трубке запаяно проволочное сопротивление, концы которого выведены наружу. Трубка эта наполовину наполнена ртутью. Если теперь ее расположить в вертикальной плоскости, то ртуть покроет и, следовательно, замкнет большую или меньшую часть сопротивления. Если трубку поворачивать вокруг горизонтальной оси, то ртуть, переливаясь, будет менять сопротивление. Подобное переменное сопротивление можно непосредственно укрепить на оси прибора, показания которого желательно передать на расстоянии. Однако это возможно только, если этот прибор обладает достаточной мощностью (например, манометр). Обычно же трубка с ртутью соединяется с осью прибора при помощи специального механического приспособления, имеющего целью сгладить толчки и уменьшить необходимый момент. Для приема показаний служит неуравновешенный мостик Витстона на постоянном токе, отклонение гальванометра в котором пропорционально изменению одного из плечей и начинается от нуля, чего нет при непосредственном измерении тока. В этом случае необходимо следить за постоянством напряжения вспомогательной батареи. Схема показана на фиг. 2.

Системы с посторонним источником тока

Очевидно, что сопротивление соединительных проводов войдет в значение плечей моста; всякое изменение его повлечет за собой ошибку. Для устранения этого иногда применяют отнесение вершины моста к месту наблюдения по схеме фиг. 3.

Системы с посторонним источником тока

В этом случае понадобится вместо двух три соединительных провода, но сопротивление их войдет одновременно в два плеча моста и на результате не отзовется. Для устранения необходимости поддерживать напряжение питающей батареи постоянным применяется иногда вместо неуравновешенного моста омметр, не зависящий от напряжения. В системе телеметрии фирмы Гартманн и Браун переменное сопротивление выполнено в виде цилиндрического барабана, по которому скользит щетка, скрепленная с подвижной частью прибора, показания которого передаются. Эта щетка делит сопротивление на две части, отношение сопротивлений которых измеряется на расстоянии при помощи омметра. Система требует для передачи трех проводов и первичного прибора с большим вращающим моментом, но более свободна от влияния изменения напряжения батареи и сопротивления линии. Обычно системы с посторонними источниками работают на постоянном токе; это имеет для передачи на расстоянии некоторые преимущества, ибо в этом случае отсутствует индуктивное сопротивление линии. Однако фирма Сименс и Гальске разработала систему, работающую на переменном токе и основанную на том, что коэффициент связи между двумя обмотками трансформатора, а, следовательно, и напряжение на его вторичной обмотке меняются как функция показаний первичного прибора. Метод распространения не получил из-за значительных электродинамических усилий в трансформаторе, искажающих показания первичного прибора. Для передачи показаний приборов с малым механическим моментом фирмой Сименс и Гальске разработана система, в которой переменное сопротивление расположено непосредственно под стрелкой прибора, показания которого необходимо передать. При помощи периодически (в среднем через 10 сек.) падающей дужки стрелка в зависимости от своего положения прижимается к разным местам сопротивления и тем самым замыкает цепь. Т. к. в моменты, когда стрелка не прижата к сопротивлению, цепь размыкается, предусмотрена вторая стрелка (повторительная), при помощи специального приспособления следящая за основной стрелкой, прижимаемая к сопротивлению второй дужкой и замыкающая цепь на то время, когда основная цепь разомкнута. Устройство работает на постоянном токе с большим радиусом действия, однако в достаточной степени сложно, мало надежно и неточно. Все системы с посторонними источниками постоянного тока легко допускают суммирование путем последовательного или параллельного включения сопротивлений. Передача по одному каналу связи больше одной величины одновременно невозможна.

3. Системы с мотор-генераторами. Эти системы, являясь связующим звеном между двумя первыми, не требуют вспомогательного источника тока; однако непосредственного преобразования измеряемой величины также нет. В системах с мотор-генераторами получение энергии, служащей для передачи, происходит внутри самой системы при помощи миниатюрного мотор-генераторного устройства. Наибольшей известностью из устройств подобного рода пользуется система «Telewatt». В основе этого метода лежит использование подвижного элемента нормального счетчика. Этот подвижной элемент служит мотором, на ось которого насаживается небольшой магнитно-электрический генератор постоянного тока (типа счетчика ампер-часов). Т. о. получается миниатюрный преобразователь, напряжение на зажимах которого является функцией только скорости вращения подвижного элемента счетчика; он же конструируется т. о., что скорость его пропорциональна измеряемой величине: току, напряжению, мощности и пр. Наиболее удобны такие приборы все же для измерения мощности. Приемным прибором служит чувствительный прибор магнитно-электрического типа. Напряжение генератора при полном числе оборотов около 1 V, ток в линии 1 mА. Эти данные определяют сравнительно небольшой радиус действия системы порядка 40 км. Для случаев, когда необходимо перекрывать большие расстояния, изготовляются специальные передатчики, в которых имеются два генераторных элемента, соединенных последовательно; в этом случае рабочее напряжение удваивается. Точность системы не очень велика, особенно при малых нагрузках. Суммирование осуществляется легко, путем последовательного включения отдельных генераторов; многократная передача невозможна. К этой же группе м. б. отнесена система Смита и Пирса. В этой системе первичный прибор при помощи специального электромагнитного приспособления регулирует возбуждение, а, следовательно, и число оборотов маленького мотора постоянного тока 40 W, 1000—2000 V, частота которого меняется в зависимости от скорости вращения в пределах 20—60 Hz. Приемником служит частотомер, проградуированный непосредственно в единицах величины, подлежащей передаче. На эту систему отсутствует влияние линий связи; многократная передача возможна. Однако установка слишком сложна.

4. Импульсные системы. Перечисленные выше системы все в б. или м. степени зависят от состояния линии, по которой ведется передача. От этого существенного недостатка свободны импульсные системы, основанные на передаче не непрерывного тока (постоянного или переменного), а отдельных импульсов тока, причем характерным значением, подлежащим измерению в месте приема, является только соотношение импульсов, а не их величина, которая может меняться в достаточно широких пределах. Импульсные методы делятся на две группы: частотно-импульсных (Impulsfrequenzverfahren) и время-импульсных (Impulszeitverfahren). В частотно-импульсных системах функцией передаваемой величины является частота импульсов, форма же их безразлична; во время-импульсных системах с измеряемой величиной каждого отдельного импульса, частота же их определяет только способность системы реагировать на б. или м. быстропеременные процессы. В частотно-импульсной системе Шлейхера, наиболее конструктивно проработанной и выпускаемой фирмой Сименс и Гальске, так же, как и в системе «Telewatt», в качество первичного прибора применен счетчик. На оси счетчика помещен прерыватель, замыкающий и размыкающий цепь вспомогательной батареи и линии. Число прерываний пропорционально скорости вращения счетчика, т. е. величине, подлежащей передаче. В качестве приемника применен конденсаторный частотомер Максвелла, показания гальванометра которого пропорциональны частоте импульсов, приходящих в приемное реле Р (фиг. 4), и не зависят от интенсивности самих импульсов.

Импульсная система

Система работает по двум проводам с радиусом действия порядка 100—200 км. Показания не зависят от состояния линии; возможна многократная передача методами радиотелефонии. Погрешность не очень велика, порядка 2—3%. Для устранения влияния изменения напряжения батареи на приемном конце можно вместо гальванометра Г применить измеритель отношения токов (логометр), одну из обмоток которого включить непосредственно на батарею. Т. к. максимальная частота, получаемая при полной скорости вращения счетчика, не превосходит 12—15 Hz, то во избежание вибрации стрелки приемного прибора, особенно при малых нагрузках, приходится выбирать прибор с утяжеленной системой, что влечет за собой увеличение времени отсчета. Недостатком системы является наличие тормозящего момента от прерывателя; поэтому прерывание тока в линии производится при помощи промежуточного реле высокой чувствительности, что позволяет максимально облегчить конструкцию прерывателя, не уменьшая мощности импульсов, т. е. дальности передачи. Из других недостатков существенно наличие непрерывно работающих механических контактов, требующих тщательного наблюдения и периодической чистки. Суммирование на передающем конце сильно затруднено, на приемном возможно путем приключения приемников к общей батарее и измерения суммарного тока. Подобная система, отличная только в приемной части, разработана инж. Парецким (Мосэнерго). Объектом непосредственного измерения служит напряжение магнитно-электрического мотор-генератора, число оборотов которого регулируется электромагнитным стопором в зависимости от частоты приходящих импульсов. Существенное усовершенствование в системе Шлейхера ввел инж. Цуккерман («Электроприбор»), заменив механический прерыватель фотоэлектрическим. На окружности диска счетчика нарезаются зубцы, которые при вращении закрывают и открывают путь пучку света, падающему на фотоэлемент; в результате этого после усиления получаются электрические импульсы, частота которых пропорциональна передаваемой величине. Это простое приспособление позволило избавиться от дополнительного механического момента, создаваемого переключателем, и при желании повысить частоту импульсов до 180—200 Hz. Приемником служит видоизмененный частотомер, в котором механическое реле также заменено двумя электронными или ионными лампами. В остальном по своим свойствам система М. Цуккермана подобна системе Шлейхера. К этим системам близок радиотехнический метод Фитцжеральда, основанный на использовании биений двух генераторов радиочастоты; частота одного из них меняется в связи с передаваемой величиной. Для приема употребляется тот же электронный частотомер. Время импульсные системы, давая значительную точность п устойчивость показаний, конструктивно очень сложны. В системах Вильде фирмы DTW и Брюккеля и Штеблейна фирмы AEG для получения импульсов, продолжительность которых пропорциональна углу отклонения стрелки, применяются весьма сложные электромагнитные контактные приспособления с непрерывно движущимися частями. Особенно же сложно в этих методах осуществлены приемные устройства, преобразующие приходящие импульсы в соответствующее угловое отклонение стрелки. Благодаря своей сложности эти системы особого распространения не получили, хотя обладают рядом достоинств. Специфическим недостатком их является значительная инерция (от импульса до импульса 4—6 сек.), благодаря чему быстропеременные процессы могут остаться неотмеченными. Суммирование на передающем конце почти невозможно. Значительно проще время-импульсная система инж. К. Карандеева (ЭФИ), в которой преобразование отклонения стрелки в продолжительность импульса производится при помощи фотоэлемента и вращающегося обтюратора. Прием производится путем измерения среднего значения импульсного тока миллиамперметром. Для исключения влияния линии ставится промежуточное реле. Эта система имеет значительно меньшую инерцию: число импульсов без труда м. б. доведено до 20—30 в сек. Суммирование на передающем конце затруднено, но возможно. Погрешность 2%. Все импульсные методы, имея повышенную дальность действия и точность, достаточно сложны, особенно с точки зрения суммирования, многократная передача в большинстве случаев не сложна. Поэтому рентабельны эти системы только при значительных расстояниях передачи, порядка от 100 км и выше.

Б. Компенсационные системы. 1. Системы постоянного тока. Принцип действия этих систем заключается в автоматической регулировке всего устройства по какой-либо величине, являющейся функцией передаваемого значения. В основе этого процесса лежит компенсация одного воздействия другим; как только эта компенсация нарушится из-за изменения передаваемой величины или из-за какой-либо случайной причины, устройство немедленно придет в действие, и если эта причина случайная, то будет восстановлено прежнее положение. По характеру компенсации системы эти делятся на три категории: потенциометрические, компенсации положения и компенсации момента. Потенциометрическая система фирмы Вестингауз на передающем конце имеет источник напряжения, величина которого задается передаваемым значением. На приемном конце напряжение второго источника, включенного в линию навстречу первому, автоматически регулируется, так чтобы ток в линии всегда был равен нулю, что будет только при равенстве напряжений. Конструктивно метод очень громоздкий. В методе компенсации положения Мидворта стрелка первичного прибора при помощи специального «следящего устройства» регулирует ток в линии в зависимости от своего положения; каждому положению стрелки соответствует совершенно определенное значение тока вне зависимости от внешних факторов. Система также очень сложна. Более технически совершенны и просты системы третьей категории, основанные на компенсации вращающего момента, созданного первичным прибором, аналогичным моментом, созданным током в линии, автоматически регулируемым до достижения равновесия. Эта регулировка осуществляется при помощи специального компенсационного реле (система AEG) жидкостного сопротивления, механически скрепленного с подвижной системой первичного прибора (системы инж. А. Михайлова) при помощи проволочного сопротивления с сервомотором (системы Гартманн и Браун), или наконец при помощи фотоэлемента, освещенность которого меняется при изменении положения стрелки первичного прибора (система Михайлова, Карандеева). Все компенсационные системы постоянного тока не зависят от сопротивления линии и очень точны: возможно свести погрешность передачи до десятых долей процента. Однако они требуют непременного наличия сплошного металлического соединения пунктов передачи и приема; многократная передача невозможна. Это обстоятельство сильно ограничивает радиус их действия, принципиально довольно значительный - порядка 50 км. Суммирование с этими системами возможно.

2. Системы переменного тока индукционные. Эти системы являются применением в телеметрии очень распространенного в силовой синхронной связи метода встречного включения индукционных моторов. Из подобных систем более распространена система фирмы Трюб Тейбер (Trub Tauber & Со.). Совершенно одинаковые передатчик и приемник представляют собой электродинамические приборы с железным магнитопроводом; неподвижные катушки их включены в цепь переменного тока, а подвижные соединены между собой по схеме фиг. 5.

Система переменного тока индукционная

Если теперь одну из подвижных катушек вывести из нейтрального положения на некоторый угол (например, связав ее с подвижной частью первичного прибора), то по системе пойдет уравнительный ток, который заставит вторую катушку повернуться точно на тот же угол. Аналогично действует американская система «Сельфсин», т. е. «самосинхронизирующаяся». Эти системы обладают большим моментом на приемном конце, но зато требуют также большого устанавливающего момента на передающей стороне. Суммирование осуществляется очень просто последовательным включением нескольких приборов. Радиус действия не превышает нескольких км. Для связи требуется два (иногда три) цельнометаллических провода. За последнее время (1933 г.) были сделаны попытки осуществить импульсно-компенсационную систему, соединяющую достоинства импульсных и компенсационных методов. Таковы системы Михайлова, Брюккеля и Штеблейна. Однако установки получились весьма сложные: в эксплуатации системы не проверены.

Из других систем можно отметить стробоскопические системы (Я. Рыфтина, Телефункен), использующие основные принципы телевидения и дающие весьма изящные решения, но только для визуального отсчета. Телевидение же в целом вряд ли м. б. применено в телеметрии из-за сложности аппаратуры, хотя попытки подобного рода делались.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Доп. том - 1936 г.