Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ БИПОЛЯРНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ЧЕРЕЗ ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗОР И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области телеизмерений, в частности к передаче импульсных сигналов через воздушный зазор, и может быть использовано для передачи и приема телеметрической информации от рабочих органов вращающихся узлов и механизмов.

В настоящее время бесконтактные способы передачи данных с вращающихся объектов становятся основными. В свою очередь в них доминируют способы, предполагающие использование для передачи данных гармонический сигнал, у которого один из его параметров (амплитуда, частота или фаза) изменяется пропорционально передаваемым данным. Например, известный производитель оборудования для бесконтактного сбора данных с широкого круга вращающихся объектов, фирма Manner (ФРГ) реализует передачу данных через элементы индуктивной связи с помощью радиосигналов, подвергнутых частотной или импульсно-кодовой модуляции [1]. Наличие в канале передачи модулятора и демодулятора усложняет его. Но и не только. Практически никто не передает всего лишь один период гармонического колебания. В передаче участвуют как минимум несколько периодов несущего колебания. Изменение значения того или иного параметра гармонического переносчика (модуляция) неизбежно вызывает адекватный переходный процесс. Он не позволяет приступить к немедленной обработке сигнала, принятого на неподвижной части устройства, так как необходимо дождаться окончания переходного процесса. Следовательно, в способе, предполагающем передачу данных через воздушный зазор с помощью гармонического переносчика с тем или иным видом его модуляции, заложена потенциальная временная избыточность. Таким образом, данный способ использует дополнительные преобразования (модуляция и демодуляция), усложняющие его, вносящие связанные с ними дополнительные погрешности и замедляющие процесс передачи. Все названные недостатки могут быть исключены при другом способе передачи - импульсными сигналами, не содержащими гармонического переносчика и по этой причине не предполагающими использование их модуляции и демодуляции.

Известно устройство передачи данных через воздушный зазор (Устройство для передачи и приема информации [2]), которое основано на применении импульсных сигналов. Способ передачи, реализованный в устройстве, предполагает формирование на вращающейся части импульсов тока, возбуждающих первичный контур индуктивно связанных контуров (ИСК), образованных вращающейся и неподвижной обмотками воздушного трансформатора, параллельно которым включены RC-элементы. Положительный скачок тока, поданный на первичный контур, формируется на вторичном контуре ИСК-импульс положительной полярности, скачок тока в противоположном направлении - импульс отрицательной полярности. Пока не завершится переходной процесс в форме названных импульсов, очередной возбуждающий скачок тока подавать на первичный контур ИСК в известном устройстве нельзя. В процессе передачи данных участвуют биполярные сигналы, то есть импульсы положительной и отрицательной полярности. Однако способ требует для передачи одного разряда кода данных отрезка времени, равного удвоенному интервалу между встречно направленными скачками тока [2]. Увеличенное время передачи является недостатком рассмотренного способа, и оно может быть сокращено при другом способе возбуждения ИСК.

Наиболее близким к предлагаемому способу (прототипом) является способ передачи данных через воздушный зазор [3] (с. 17-21), заключающийся в том, что передача данных осуществляется посредством подачи от формирователя сигнала на первичный вращающийся контур ИСК коротких импульсов прямоугольной формы. На вторичном неподвижном контуре, отделенном от вращающегося воздушным зазором, формируются сигналы, пригодные для принятия решения о том, что было передано - «ноль» или «единица». Сформированные на неподвижном контуре сигналы представляют собой импульсы, образованные двумя полуволнами: положительной и отрицательной полярности. Вторая, отрицательная, полуволна имеет амплитуду по абсолютной величине примерно на 15% меньше, чем амплитуда первой, положительной, полуволны, но по длительности она почти в два раза превосходит первую полуволну [3]. Суммарная длительность сигнала (двух его полуволн) при возбуждении ИСК коротким импульсом сократилась более чем в 1,5 раза по сравнению со временем передачи одного разряда в рассмотренном выше способе [2].

Недостатком данного способа (прототипа) является не достаточно высокая помехозащищенность, так как генерируемый по известному способу сигнал не является биполярным, то есть состоящим из двух близких по форме (в идеале - совпадающих по форме), но разнополярных импульсов (полуволн). А биполярный сигнал, как это было показано в способе [2], обеспечивает более высокую помехозащищенность.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

На вращающейся части из исходных импульсов кодовых посылок формируют укороченные прямоугольные импульсы, длительность которых составляет от 0,35 до 0,4 от периода резонансной частоты f₀ связанных контуров. В свою очередь, частоту f₀ выбирают исходя из необходимой длительности кодовых посылок [3]. Если длительность импульсов короче нормированного значения 0,35, то пропорционально с уменьшением длительности возбуждающего импульса уменьшается амплитуда передаваемого сигнала, но сокращается его длительность. Если же длительность возбуждающих импульсов превышает значение 0,4, то увеличивается длительность реакции ИСК на них, а амплитудное значение реакции не изменяется ([3], рис. 1.9, е). Укороченные импульсы подают на первый формирователь возбуждающего сигнала и на расширитель длительности импульса. Импульсы с выхода первого формирователя подают на вход первичного контура ИСК. Прямоугольный импульс на выходе расширителя формируют такой длительности, чтобы она совпадала с длительностью первой полуволны импульсной реакции ИСК на выходе их вторичного контура на импульс, поступивший от первого формирователя. Расширенный импульс дифференцируют. Сигнал, полученный в результате дифференцирования заднего фронта расширенного импульса, масштабируют, а сигнал, соответствующий переднему фронту расширенного импульса, отсекают. Масштабированный сигнал подают на вход второго формирователя возбуждающего сигнала, импульс с выхода которого подают на вход первичного контура ИСК. На выходе вторичного контура, отделенного от первичного контура воздушным зазором, формируется импульсный сигнал, состоящий из двух близких по параметрам полуволн разной полярности, то есть практически биполярный сигнал. Коэффициент масштабирования сигнала, используемого после дифференцирования расширенного импульса, выбирают таким образом, чтобы амплитуда второй полуволны в реакции ИСК на комбинированное входное воздействие была по абсолютной величине равна амплитуде первой полуволны. Коэффициент масштабирования зависит от длительности исходного укороченного импульса и от коэффициента связи между контурами.

Таким образом, при единичном значении кода в данном разряде на выходе неподвижного контура ИСК формируют биполярный сигнал, а при нулевом значении кода такой сигнал отсутствует.

Предложенный способ позволяет устранить недостаток известного способа (прототипа), а именно повысить помехозащищенность передачи.

Принцип достижения технического результата за счет выполнения предложенных выше действий с исходным сигналом кодовых посылок поясняется фигурами 1 и 2, на которых приведены эпюры сигналов, формируемых для передачи данных через воздушный зазор по предлагаемому способу.

На фиг. 1, а изображен укороченный прямоугольный импульс длительностью, например, 0,4 (длительность нормирована к периоду резонансной частоты контуров), используемый в прототипе для управления формирователем возбуждающего воздействия для первичного контура ИСК. Формирователь повторяет по форме этот импульс, усиливая его по мощности. На фиг. 1, б представлен сигнал, формируемый в прототипе на выходе неподвижного контура ИСК в ответ на прямоугольный импульс формирователя. Сигнал имеет положительную и отрицательную полуволны. Параметры сигнала позволяют без труда восстановить в стационарной аппаратуре значение переданного разряда кода.

В предлагаемом способе на вращающейся части из исходных сигналов кодовых посылок формируют укороченный прямоугольный сигнал, например, нормированной длительности 0,4 (представлен на фиг. 2, а). Этот сигнал подают на первый формирователь, выходной сигнал которого используют для возбуждения первичного контура ИСК, и на расширитель длительности импульса. Импульс с выхода расширителя, представленный на фиг. 2, б, дифференцируют. Сигнал, полученный на выходе дифференцирующей цепочки, представлен на фиг. 2, в. В сигнале присутствуют два импульса, соответствующие переднему и заднему фронту прямоугольного импульса с выхода расширителя. Импульс, соответствующий заднему фронту, масштабируют по амплитуде с определенным коэффициентом, зависящим от значений длительности исходного импульса и коэффициента связи между контурами. Например, для исходного импульса длительностью 0,4 и коэффициента связи 0,5 масштабирующий коэффициент принимает значение 0,85. Масштабирующий коэффициент выбирают таким образом, чтобы абсолютная величина амплитуды второй полуволны в реакции ИСК на комбинированное возбуждающее воздействие совпадала с амплитудой ее первой полуволны. Импульс, соответствующий переднему фронту расширенного импульса, отсекают ограничителем. Полученный в результате масштабирования импульс, показанный на фиг. 2, г, подают через второй формирователь на возбуждение первичного контура ИСК. В результате описанных действий первичный контур ИСК подвергают возбуждению сложным сигналом, который образует комбинация из двух импульсов: укороченного прямоугольного импульса и подвергнутого масштабированию импульса, созданного в результате дифференцирования заднего фронта расширенного импульса, полученного из исходного укороченного импульса. На фиг. 1, в показан вид этого комбинированного возбуждающего сигнала. Реакция на него на выходе вторичного неподвижного контура ИСК представлена на фиг. 1, г. Вид реакции свидетельствует о том, что в предлагаемом способе единичному разряду кода соответствует биполярный импульсный сигнал, получаемый, благодаря возбуждению ИСК комбинированным сигналом, формирование которого было описано выше.

Таким образом, для формирования биполярного сигнала, обеспечивающего достижение технического результата, заключающегося в повышении помехозащищенности, необходимо возбуждать первичный контур ИСК-сигналами от двух формирователей: формирователя возбуждения укороченными импульсами и формирователя возбуждения масштабированными импульсами, причем последние масштабированы так, что реакция ИСК на выходе вторичного контура на комбинированное возбуждение будет состоять из двух полуволн разной полярности, но одинаковой амплитуды. Наличие биполярного сигнала на выходе связанных контуров будет соответствовать передаче логической единицы в этом разряде кода данных, а его отсутствие - передаче логического нуля.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства, которое реализует предложенный способ формирования биполярных сигналов для передачи данных через воздушный зазор, а на фиг. 1, в, фиг. 1, г и фиг. 2 - эпюры, поясняющие его работу.

Для достижения технического результата, заключающегося в повышении помехозащищенности, в устройство, содержащее на его вращающейся части формирователь возбуждения, выход которого соединен с первичным контуром индуктивно связанных контуров, вторичный контур которых, расположенный на неподвижной части устройства и отделенный от первичного контура воздушным зазором, является выходом устройства, введены формирователь укороченных импульсов, вход которого является входом устройства, а выход соединен с входом формирователя возбуждения, расширитель импульса, вход которого соединен с выходом формирователя укороченных импульсов, дифференцирующая цепь, на которую поступает сигнал от расширителя, соединенный с ее выходом ограничитель, отсекающий импульс, получаемый при дифференцировании переднего фронта расширенного импульса, масштабирующий усилитель, соединенный с выходом ограничителя, и второй формирователь возбуждения, вход которого соединен с выходом масштабирующего усилителя, а выход - с первичным контуром.

Устройство для реализации предложенного способа формирования биполярных сигналов для передачи данных через воздушный зазор содержит вращающуюся часть 1, неподвижную часть 2 и воздушный зазор 3. Вращающаяся часть 1 содержит формирователь 4 укороченных импульсов, первый формирователь 5 возбуждающего сигнала, расширитель 6 длительности импульса, дифференцирующую цепь 7, ограничитель 8, масштабирующий усилитель 9, второй формирователь 10 возбуждающего сигнала, первичный контур 11 индуктивно связанных контуров 13. Неподвижная часть 2 устройства, отделенная от вращающейся части 1 воздушным зазором 3, содержит вторичный контур 12 индуктивно связанных контуров 13.

Входом устройства является вход формирователя 4 укороченных импульсов, расположенного на вращающейся части 1, на который поступают разряды кода данных. Его выход соединен с входом первого формирователя 5 возбуждающего сигнала и с входом расширителя 6 длительности импульса. Выход первого формирователя 5 возбуждения соединен с входом первичного контура 11 индуктивно связанных контуров 13. Выход расширителя 6 соединен с входом дифференцирующей цепи 7, выход которой через ограничитель 8 подключен к масштабирующему усилителю 9, выход которого соединен с входом второго формирователя 10 возбуждающего сигнала, выход которого подключен к входу первичного контура 11. Выход находящегося на неподвижной части 2 вторичного контура 12 индуктивно связанных контуров 13, отделенного от их первичного контура 11 воздушным зазором 3, является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На вращающейся части 1 на вход устройства поступают кодовые посылки данных. Формирователь 4 укороченных импульсов преобразует сигналы единичных разрядов кода в прямоугольные импульсы, длительность которых составляет от 0,35 до 0,4 от периода резонансной частоты контуров. На фиг. 2, а представлен вид импульса, длительность которого укорочена, например, до значения 0.4, взятого из указанного выше диапазона. Укороченный импульс поступает на расширитель 6 и на вход первого формирователя 5 возбуждающего сигнала, выходной сигнал которого подается на первичный контур 11 индуктивно связанных контуров 13. Этот возбуждающий импульс вызовет на выходе вторичного контура 12, расположенного на неподвижной части 2 устройства и отделенного от первичного контура 11 индуктивно связанных контуров 13 воздушным зазором 3, импульсный сигнал, представленный на фиг. 1, б. Последний образован двумя полуволнами: положительной и отрицательной. Расширенный импульс (фиг. 2, б), имеющий длительность, равную длительности первой полуволны сигнала, представленного на фиг. 1, 6, поступает на вход дифференцирующей цепи 7. Импульсы с ее выхода (фиг. 2, в) поступают на ограничитель 8, который отсекает импульс, соответствующий переднему фронту расширенного импульса. Сигнал, соответствующий заднему фронту расширенного импульса, с выхода ограничителя поступает на масштабирующий усилитель 9. Его коэффициент масштабирования выбирается для конкретных значений длительности укороченного импульса и коэффициента связи между контурами так, чтобы амплитуда второй полуволны в сигнале на выходе устройства при возбуждении комбинированным сигналом совпадала по абсолютной величине с амплитудой его первой полуволны. На фиг. 2, г показан вид сигнала на выходе усилителя 9, который масштабирован им с коэффициентом 0,85, соответствующим коэффициенту 0,5 связи между контурами 11 и 12 и нормированной длительности 0,4 укороченного импульса. С выхода усилителя 9 сигнал поступает на вход второго формирователя 10 возбуждающего сигнала. Выходной сигнал формирователя 10 масштабированного возбуждающего сигнала воздействует на первичный контур 11 индуктивно связанных контуров 13. В результате работы двух формирователей 5 и 10 возбуждения на первичный контур 11 будет воздействовать комбинированный возбуждающий сигнал, представленный на фиг. 1, в. Реакцией на него станет формируемый на выходе вторичного контура 12 биполярный импульсный сигнал, изображенный на фиг. 1, г. Наличие биполярного сигнала на выходе вторичного контура 12 будет свидетельствовать о передаче логической единицы в данном разряде кода, а его отсутствие - о передаче нуля. Из сравнения выходных сигналов прототипа (фиг. 1, б) и предлагаемого устройства (фиг. 1, г) видно, что вторая полуволна сигнала в предлагаемом устройстве короче, чем в прототипе, приближаясь по длительности к его первой полуволне, а по своей форме сигнал на выходе предлагаемого устройства близок к биполярному сигналу.

Технико-экономический эффект предложенного способа формирования биполярных сигналов для передачи данных через воздушный зазор и устройства для его реализации заключается в том, что достигается повышение помехозащищенности передачи данных через воздушный зазор.

Литература

1. MANNER Sensortelemetrie [Электронный ресурс]. URL: http://www.sensortelemetrie.de/de/Image_Manner.pdf (дата обращения: 02.10.2014).

2. Авторское свидетельство СССР №1180949, кл. G08C 19/16,1985, БИ №35.

3. Измерительные системы для вращающихся узлов и механизмов / В.В. Карасев, А.А. Михеев, Г.И. Нечаев; под ред. Г.И. Нечаева. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 176 с.