Автоматичний вимірювач параметрів і режиму роботи симетричних ліній

Автоматичний вимірювач параметрів і режиму роботи симетричних ліній, який містить керуючий обчислювальний пристрій, який відрізняється тим, що до нього підключені два блоки аналогової обробки сигналів, кожен з яких складається з двох субблоків - субблоку струму і субблоку напруги, які містять перший високочастотний трансформатор, що підключений до першої лінії передачі, другий високочастотний трансформатор підключений до другої лінії передачі, виходи першого та другого високочастотних трансформаторів підключені відповідно до перших та других входів першого пристрою віднімання та першого пристрою додавання, вихід першого пристрою віднімання та вихід першого пристрою додавання підключені відповідно до входів першого та другого детекторів та до входів першого та другого масштабних підсилювачів, другі входи яких з'єднані з керуючим обчислювальним пристроєм, виходи першого та другого детекторів підключені до керуючого обчислювального пристрою, вихід першого масштабного підсилювача приєднаний до перших входів третього 2 48984 1 3 вальний пристрій, генератор тактової частоти, блок вимірювання частоти, блок керування з відповідними зв'язками. Недоліками такого вимірювача є те, що результати вимірювання прохідної потужності і коефіцієнту біжучої хвилі не дають повної інформації про режим роботи симетричних ліній, а також неможливо здійснювати автоматизований процес вимірювання характеристик асиметричних хвиль й контролювати інтенсивність симетричних хвиль. У симетричних лініях можуть виникати симетричні хвилі, тобто хвилі, енергія яких переноситься з однаковими за амплітудою й фазою в обох проводах у тому самому перетині лінії хвилями напруги й токи. Це приводить до виникнення антенного ефекту лінії, зміни навантаження на передавач, спотворення діаграми напрямленості антени, збільшення втрат енергії в лінії й т. ін. Тому в процесі експлуатації необхідно не тільки вимірювати режим роботи характеристик антисиметричних хвиль, але й контролювати інтенсивність симетричних хвиль, для чого введено додаткові параметри Задачею корисної моделі є визначення всієї сукупності параметрів лінії передачі, які можуть змінюватися з часом, з частотою, із зміною навантаження, а також в залежності від метеорологічних умов, можливість запобігання появи антенного ефекту, чого можна досягнути за допомогою автоматизованого засобу, що дозволяє оперативно і в повному обсязі вимірювати і контролювати необхідні характеристики і параметри режиму роботи лінії. Поставлена задача вирішується тим, що до керуючого обчислювального пристрою, згідно з винаходом, підключені два блоки аналогової обробки сигналів, кожен з яких складається з двох субблоків субблоку струму і субблоку напруги, які містять перший високочастотний трансформатор, що підключений до першої лінії передачі, другий високочастотний трансформатор підключений до другої лінії передачі, виходи першого та другого високочастотних трансформаторів підключені відповідно до перших та других входів першого пристрою віднімання та першого пристрою додавання, вихід першого пристрою віднімання та вихід першого пристрою додавання підключені відповідно до входів першого та другого детекторів та до входів першого та другого масштабних підсилювачів, другі входи яких з'єднані з керуючим обчислювальним пристроєм, виходи першого та другого детекторів підключені до керуючого обчислювального пристрою, вихід першого масштабного підсилювача приєднаний до перших входів третього пристрою віднімання та третього пристрою додавання, вихід другого масштабного підсилювача приєднаний до перших входів четвертого пристрою віднімання та четвертого пристрою додавання, перший та другий конденсатор з'єднані відповідно з першою та другою лінією передачі і з першим та другим резистором, виходи першого та другого конденсаторів підключені відповідно до перших та других входів другого пристрою віднімання та другого пристрою додавання, вихід другого пристрою віднімання з'єднаний з входом третього детектора, з другим входом третього пристрою віднімання та з другим входом третього пристрою додавання, вихід другого пристрою додавання з'єднаний з входом 48984 4 четвертого детектора, з другим входом четвертого пристрою віднімання та з другим входом четвертого пристрою додавання, вихід третього пристрою віднімання підключений до п'ятого детектора, вихід четвертого пристрою віднімання підключений до шостого детектора, вихід третього пристрою додавання підключений до входу сьомого детектора і до першого входу фазометра, вихід четвертого пристрою додавання підключений до входу восьмого детектора і до другого входу фазометра, виходи п'ятого, шостого, сьомого та восьмого детекторів та вихід фазометра з'єднані з керуючим обчислювальним пристроєм, який підключений до індикаторного пристрою. На фігурі 1 зображена загальна структурна схема автоматичного вимірювача, на фігурі 2 зображена розгорнута структурна схема блоків аналогової обробки сигналів автоматичного вимірювача. Автоматичний вимірювач параметрів і режиму роботи симетричних ліній містить два блоки аналогової обробки сигналів 1 і 2, лінії передачі Л1 і Л2, керуючий обчислювальний пристрій 3, індикаторний пристрій 4; субблок струму 5, субблок напруги 6, два високочастотні трансформатори Тр1 та Тр2, два конденсатори С1, С2, два резистори R1, R2, пристрої віднімання 7, 9, 17, 19, пристрої додавання 8, 10, 21, 23, детектори 11, 12, 13, 14, 18, 20, 22, 24, масштабні підсилювачі 15, 16, фазометр 25. Автоматичний вимірювач параметрів і режиму роботи симетричних ліній працює таким чином. Використовуючи теорію довгих ліній без втрат для гармонійного процесу, визначимо розподіл комплексних напруг і струмів у лінії за допомогою падаючих і відбитих хвиль (антисиметричних і симетричних)  uma ei z  uma i z e W  umc ei c z m u c i z e c Wc  ua  Ia  uc  Ic 1 ae i( 2 z a) 1 ae i( 2 z a) 1 ce i( 2 cz c) 1 ce i( 2 cz c) ; ; ; (1) ;  де um - комплексна амплітуда напруги падаючої a антисиметричної хвилі; 2 - коефіцієнт фази у двупроводной лінії антисиметричної хвилі - довжина антисиметричної хвилі в лінії; z - відстань від навантаження до розглянутого перетину; a - модуль комплексного коефіцієнта відбиття антисиметричної хвилі; a - фаза коефіцієнта відбиття антисиметричної хвилі; W - хвильовий опір лінії в режимі антисиметричної хвилі;  umc - комплексна амплітуда напруги падаючої симетричної хвилі; 2 - коефіцієнт фази симетричної хвилі; c c c - довжина симетричної хвилі в лінії; 5 48984 Гс - модуль комплексного коефіцієнта відбиття симетричної хвилі; c - фаза коефіцієнта відбиття симетричної хвилі; Wc - хвильовий опір лінії в режимі симетричної хвилі. У загальному випадку рівняння (1) містять дванадцять незалежних параметрів при обраному значенні координати z. Якщо прийняти фазу одного з  I   I  коливань (ua ,a, um ,uc ,c , um ) як початкову й від неї a c відраховувати фазові зсуви, то кількість незалежних параметрів зменшиться на одиницю. Отже, для опису хвильових процесів у лінії передачі і потрібно мати інформацію про одинадцять незалежних параметрів. В одному перетині лінії на відстані z від навантаження, виходячи з рівнянь (1), за результатами вимірювань, можна одержати сім незалежних значень, що недостатньо для розрахунку всіх параметрів. Такими величинами можуть бути амплітудні значення напруг і струмів (ua ,Ia , uc ,Ic , ) і фазові зсуви між напругою й струмом антисиметричної хвилі a iu , c між напругою й струмом симетричної хвилі і iu , а також фазові зсуви між напругою симетричної й антисиметричної хвиль ac . Для збільшення числа незалежних вимірюваних величин необхідно використати ще один перетин лінії передачі на іншій відстані від навантаження, рівному z', віддаленому від перетину з координатою z на відстані z0, тобто z' = z+z0. Позначимо напруги й струми в другому перетині лінії штрихами, щоб відрізняти їх від величин у першому перетині з координатою z. Отже, в першому перетині вимірюємо напруги  1 , u2 й струми 1 , 2 . За допомогою простих спів I I u відношень знаходимо    ua 0.5 (u1 u2 );    uc 0.5 (u1 u2 );    ); (2) Ia 0.5 ( I1 I2  I 0.5 (  ); I I c 1 a  Ic  0.5 (u1  0.5 (u1 0.5 ( I 1 0 .5  u2 );  u2 );  ); (3) I 2  uma eia  uma ia e W  auma ei( ac m u a a ei( ac Wc введені  ua  Ia  uc  Ic де uma ei t ;  uma a umc / uma ; z; c напруг і струмів антисиметричної й симетричної хвиль у першому перетині в наступному вигляді a) ae i( 2a a) ce i( 2a c) 1 c) i( 2a 1 c) ae 1 ce i( 2a c) такі ; ; (4) ; ; позначення c z; c  arqua - зсуви фаз комплек  arquc  uma ei(  uma i( e W i( a c  auma e  m i( a u a a e c Wc  ua  Ia  uc  Ic 0) 1 0c 0c c) ae i( 2a 2 0 a) 1 0) ae i( 2a 2 0 a) 1 ce i( 2a c 2 1 ce i( 2a 2 c) ; ; c) 0c c) 0c ; (5) ; де позначено z0 0 й с z0 0c . Оскільки формули, які описують антисиметричні й симетричні хвилі мають однакову структуру й відрізняються лише значеннями кутів, хвильових опорів і модулями коефіцієнтів відбиття, то математичні перетворення для визначення необхідних параметрів будуть ідентичними. Ця обставина дозволяє обмежитись аналізом одного типу хвилі, а результати використати й для іншої хвилі. Спочатку розглянемо визначення параметрів лінії передачі для антисиметричної хвилі. З перших двох рівнянь системи (4) і системи (5) знайдемо квадрати модулів напруг і струмів  2 ua u2  ua 2 2  Ia 2 u 1 2 uma 2 a 2 a 2 a cos(2 a cos(2 2 a 1 W2 2 uma  2 Ia 2 1 2 ) 2 a cos(2 ) 0 (6) a) 2 1 a 2 a cos(2 2 0 a) W2 Визначаємо різницю квадратів напруг p і струмів r p r  2 ua  2 ua  2 Ia ' 2 Ia 2 2 auma cos(2 2 a (1 2 ); I I Приймемо за початок відліку фазових зсувів фазу напруги um та з виразу (1) запишемо значення a 1 сних амплітуд напруг антисиметричної й симетричної хвиль. Вимірювані величини в другому перетині набувають такий вигляд 2 Аналогічно в другому перетині за виміряними   I I значенням u1 , u2 , 1 і 2 розраховуємо  ua  uc  I 6 2 uma W2 cos(2 ) cos(2 ) cos(2 2 ) 0 2 0 ) За відомим значенням різностей р и r розраховуємо хвильовий опір лінії передачі для антисиметричної хвилі (для стандартного режиму роботи) W p r  2 ua  ua  2 Ia  2 Ia 2 . (8) Комплексну амплітуду струму із другого рівняння системи (4) множимо на хвильовий опір (8) і одержимо напругу 7 W a I  ui  uma eia 1 48984 ae i( 2 a (9) Підсумовуючи комплексні амплітуди напруг  a (4) і ui (9), знаходимо величину, що являє собою  u комплексну амплітуду напруги падаючої хвилі, зсунутою за фазою на кут .  ua 8 Для симетричної хвилі параметри лінії передачі й характеристики режиму роботи аналогічні. Хвильовий опір лінії для симетричних хвиль  2uma ei . (10)  ui Модуль цієї суми визначає амплітуду напруги падаючої антисиметричної хвилі 1   uma ua ui . (11) 2   Різниця комплексних амплітуд напруг ua (4) і ui (9) залежить від модуля коефіцієнта відбиття, його фази й амплітуди напруги падаючої хвилі ) (12)    ua ui 2 aumae i( Очевидно, що модуль лівої частини рівняння (12) визначається добутком модуля коефіцієнта відбиття й амплітуди напруги падаючої хвилі, тому модуль коефіцієнта відбиття, використовуючи рівняння (11) і (12), знаходимо як відношення   ua ui (13) a  a ui  u У результаті виконаних обчислень отримані значення хвильового опору W, амплитуди напруги падаючої хвилі um й модуль коефіцієнта відбиття Га. 2 arccos 2 2 0 2  2 um (1 ua a 2 a) 2 2 auma arccos 2  2 um (1 u'a a .(14) 2 a) 0 1 arccos 2 2 2 auma 2 a) 2 2 auma arccos 2  2 um (1 ua a 2 a) 0 . (15) 2 2 auma Відстань z0 між перетинами, у яких установлюються датчики напруги й струму, виміряється з великою точністю і його значення відомо, тому довжину хвилі в лінії визначаємо зі співвідношення 2 z0 (16) 0 Використовуючи розраховані значення довжини хвилі в лінії й перше рівняння системи (14), знаходимо фазу коефіцієнта відбиття 4 z a arccos 2  2 um (1 ua a 2 2 auma 2 a)  2 Ic . (17) Таким чином, за результатами вимірювань за допомогою формул (8), (11), (13), (16) і (17) визначають величини, що характеризують хвильові процеси в лінії, і параметри самої лінії, що дає можливість із достатньою повнотою описувати режим роботи лінії. 2  2 Ic . . (18) c Відношення амплітуд напруг падаючих симетричних і антисиметричних хвиль   umc uc uic (20) a   uma ua ui Модуль коефіцієнта відбиття симетричної хвилі   uc uic -. (21) c   uc ui c Довжина хвилі в лінії при симетричному режимі роботи 2 z0 , (22) c 0c де 0c  u'c 1 arccos 2 2 2 umc (1 2 c) arccos 2 2 cumc 2  2 um (1 uc c 2 c) 2 2 cumc (23) Фаза комплексного коефіцієнта відбиття симетричної хвилі дорівнює 4 z arccos c c З рівнянь (14) визначається фазовий зсув 2  2 um (1 u'a a  uc Амплітуда напруги падаючої симетричної хвилі 1   umc uc uic (19) 2 W.  де ui Ic c a Це дає можливість за допомогою виразів (6) розрахувати аргументи косинусоидальных функцій. Так з перших рівнянь можна розрахувати  2 uc Wc 2  2 um (1 uc c 2 c) 2 2 cumc (24) Для визначення останньої - одинадцятої величини - фазового зсуву комплексних амплітуд напруг падаючих антисиметричних і симетричних хвиль використаємо суму антисиметричної хвилі (10) і симетричної хвилі     uc ui 2um ei c 2 um ei( c c ) (25) c c Фазовий зсув між двома сумами напруг дорівнює     arq(uc uic ) arq(ua ui ) , (26) або . (27) З останнього виразу знаходимо c c 2 c 2 z 2 c z (28) c За відомими параметрами ліній і режимів роботи   будуються розподіли напруг u1 і u2 уздовж проводів симетричної лінії відповідно до формул (1) ~    u1 ua uc f1 ( z); (29) ~    u2 ua uc f2 ( z ), де аргумент z змінюється в інтервалі 0 z 2 й - довжина хвилі в повітрі. У побудованих залежностей є перетини з максимальними значеннями напруг 9  u1 max  u2 max 48984 ~ f1( z1); (30) ~ f2 ( z2 ), де z1 - координата перетину значенням напруги в дроті 1; z2 більш близька до координати z1 значенням напруги в дроті 2. Очевидно, що шукається таке задовольняє умову z1 z2 min. (31) з максимальним координата найз максимальним значення z2, що Різниця координат z1 z2 d забезпечує оцінку скосу хвилі, а значення максимумів (30) дозволяють розрахувати симетрію. Загальна структурна схема автоматичного вимірювального пристрою наведена на фіг. 1. Схема містить блоки аналогової обробки сигналів 1 і 2, які встановлюються в обраних перетинах лінії передачі Л1 і Л2. Низькочастотними лініями зв'язку ці блоки з'єднуються з керуючим обчислювальним пристроєм З, що відповідно до наведених формул розраховує параметри лінії й характеристики її режиму роботи. Результати обчислень виводяться на індикаторний пристрій 4. Блоки аналогової обробки сигналів 1 і 2 ідентичні й складаються із двох субблоков 5 і 6: один з них перетворює сигнали, які несуть інформацію про струми, інший перетворює сигнали, що несуть інформацію про напруги в дротах Л1 і Л2. Принцип роботи субблока з датчиками струму 5 полягає у наступному. У декаметровому діапазоні датчиками току є високочастотні трансформатори Тр1 і Тр2, з виходів яких сигнали надходять у пристрої віднімання 7 та додавання 8, один із яких 7 ліворуч визначає різницю напруг, а правий 8 - сумів вхідних напруг. Отже, на виходах цих пристроїв відповідно до виразів (3) одержуємо сигнали, які несуть інформацію про амплітуду й фазу струмів антисиметричних і симетричних хвиль. Це сигнали детектируются детекторами 11 і 12, у результаті чого одержуємо низькочастотні напруги, амплітуди яких пропорційні значенням  і  . Одночасно високоI I a c частотні сигнали надходять на входи масштабних підсилювачів 15 і 16, коефіцієнти підсилення яких автоматично встановлюються керуючими сигналами, які створюються пристроєм 3. Значення коефіцієнтів підсилення пропорційні хвильовим опорам W і   Wс, що забезпечує утворення напруг ui (9) і ui (19), c які повністю зберігають інформацію про струми a й I  . I c Сигнали низької частоти a і c із субблока даI I тчиків струму 5 лініями зв'язку надходять в обчислю вальний пристрій 3. Сигнали високої частоти ui й  uic надходять у субблок датчиків напруги 6. Датчики напруги являють собою послідовне з'єднання конденсатора С1 та резистора R1, конденсатора С2 та резистора R2 підключених одним затискачем до дроту Л1 або Л2, а другим затискачем - до шини з нульовим потенціалом. Повний імпеданс 10 такого датчика вибирається з умови, щоб струм, що протікає через датчик, був досить малим, і, практично, не впливав на режим роботи фідера. Напруги з виходів датчиків у певному масштабі відображають   амплітуди й фази напруг ui і ui між проводами й c землею. Ці сигнали відповідно до формул (3) визначають на виході віднімаючого пристрою 9 напругу антиси метричної хвилі ua , а на виході суматора 10 - напру гу uc . Після детектування детекторами 13 і 14 одер   жуємо в певному масштабі амплітуди ua й uc , які надходять на обробку в 3. Ці ж сигнали, пропорційні   напругам ua і uc , підведені до входів суматорів 21 і 23 й віднімаючих пристроїв 17, 19, на другі входи   яких надходять сигнали, пропорційні ui й ui . На c виходах віднімаючих пристроїв 17, 19, одержуємо     різницю сигналів ua - ui (12) і uc - ui , які після деc тектирования пристроями 18, 20 низькочастотної ліній зв'язку підводять до входу обчислювача 3. На виходах суматорів 21, 23 одержуємо сигнали     ua + ui (10) і uc + ui . Після детектирования детекc торами 22, 24 вони представляють амплітуди антисиметричної хвилі (11) і симетричної хвилі (19). Для наступної обробки низькочастотні напруги (при одночастотному гармонійному режимі - це постійні напруги) надходять на вхід обчислювача 3. Високочас    тотні сигнали (ua + ui ) й (uc + ui ) одночасно c підводять до входів фазометра 25, що визначає фазове зрушення й інформацію про його значення передає на обчислювач 3. Керуючий обчислювальний пристрій 3 являє собою комп'ютер, що відповідно до формул (8), (11), (13), (16) і (17) розраховує параметри W, um , a, , a, , а за допомогою формул (18), a (19), (20), (21), (22) і (24) розраховує параметри Wc , umc , , c , c , c , . По відомому куті й по формулі (28) розраховується фазовий зсув c . Комп'ютер 3 виробляє керуючі сигнали, які надходять у субблоки датчиків 5 і 6 і встановлюють необхідні коефіцієнти підсилення масштабних підсилювачів 15 і 16. Регулювання коефіцієнта підсилення можуть виконаються за допомогою цифро-цифро-керованого опору. Іншим варіантом масштабного підсилювача може бути перемножувач. Блок 3 розраховує залежності (29) при зміні координати в межах 0 z 2 . Оскільки , й то в цьому інтервалі буде не менш двох макc симумів функцій f1(z) і f2 ( z ) . Це дає можливість визначити з умов (30) положення цих максимумів z'1 і z' '1 , z'2 і z' '2 й, відповідно до виразу (31) знайти значення зсуву максимумів . Таким чином, на додаток до дванадцяти розрахованих величин визначаються асиметрія q й скіс хвилі . При необхідності за відомими виразами можна розрахувати повний імпеданс навантаження й коефіцієнт біжучої хвилі у фідері. 11 48984 Всі величини, які визначаються в результаті вимірів і обробки даних вимірів, виводяться на індикаторний пристрій 4 і заносяться в пристрій пам'яті комп'ютера 3. Джерела інформації Комп’ютерна верстка А. Крулевський 12 1. А.с. СССР № 1753427, МПК6 G01R 27/06, 1992. 2. Патент РФ № 2059253, МПК6 G01R 21/00, 1996. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601