7.4. Защита входных измерительных цепей иис от помех

Под помехоустойчивостью ИИС понимается их способность противостоять вредному влиянию помех. Основные пути повышения помехоустойчивости ИИС связаны с улучшением защиты от помех аналоговых измерительных цепей си­стем и с уменьшением влияния помех на результат измерения, главным образом, путем соответствующей обработки измерительной информации в ИИС.

Учитывая, что помехоустойчивость ИИС в значительной степени опреде­ляется защитой от помех аналоговых входных измерительных цепей, далее в сжатом виде рассматриваются основные способы такой защиты. Более подроб­но этот материал изложен в [7.12].

Виды и источники помех

Помехи могут вызываться процессами, происходящими внутри ИИС, а так­же влиянием внешних источников помех.

Причинами внутренних помех могут служить тепловые шумы в резисторах, термо-ЭДС, изменение сопротивления изоляции, перекрестные влияния измери­тельных цепей, связи измерительных цепей с цепями питания. К внутренним помехам могут быть также отнесены изменения напряжения источников пи­тания, превышающие допустимые: не считается помехой только кратковремен­ное (от 1 до 30 периодов частоты сети) понижение напряжения сети питания до 30% номинального, полный перерыв в питании может быть до 5 периодов частоты сети (100 мс). Кроме того, через сеть питания могут проникать им-

пульсные высокочастотные возмущения (до 20 МГц) с повышенной амплитудой и длительностью до нескольких микросекунд.

Внешние атмосферные помехи возникают в результате разрядов молний, возникающих в большом количестве (до сотен разрядов в секунду) на Земле, а также от электризации частиц (пыли, снега и т. п.) в атмосфере Земли.

К другому виду внешних электрических помех относятся индустриальные помехи, создающиеся промышленными установками, радиостанциями, электро­оборудованием автотранспорта и т. п.

Расположенные вблизи измерительных цепей электроэнергетические уста­новки и силовая проводка питания являются основными источниками так на­зываемых наведенных, или поперечных, помех. Эти помехи являются след­ствием воздействия внешних электромагнитных полей, а также реактивных свя­зей измерительных цепей с источниками помех. В свою очередь такие факторы, как изменение сопротивления изоляции (например, от влияния повышенной температуры), появление разности потенциалов в разных точках заземления аналоговой измерительной цепи, тепловые шумы могут явиться источниками помех другого вида, которые носят название продольных.

Приведем пример [7.13], показывающий возможный уровень помех от элек­трической нагревательной печи, имеющей общую потребляемую мощность 60 кВт. В непосредственной близости от печи максимальное значение напряженности магнитного поля в нашем эксперименте было равно 520 А/м, а на расстоянии 2м-— примерно 40—70 А/м, причем напряженность магнитного поля довольно существенно изменялась по высоте. Напряженность электрического поля дости­гала 500 В/м. На проводах длиной 5 м при расстоянии между проводами 2 мм и расположении проводов вблизи печи на частоте 50 Гц может наводиться напряжение помехи порядка 2-10^-3 В. Если учесть, что чувствительность тер­мопар лежит в пределах от 0,5-Ю^-5 до 7-Ю^-5 В/°С, то становится понятной настоятельная необходимость защиты цепей от поперечных помех.

При длине соединительной линии около 30 м и расстоянии между провода­ми 2 мм на частоте 50 Гц в условиях промышленных помещений напряжение поперечной помехи может принимать значения от нескольких микровольт до десятков милливольт.

Если параллельно измерительным проводам проходят силовые провода, то из-за наличия взаимной индуктивности ЭДС, наводимая на измерительных про­водах, может быть найдена из выражения

e=—Mdijdt=—2-10+⁷ / ln^^flsi/flii^) (di/dt),

где I — длина проводов; М-—коэффициент взаимной индуктивности; i — ток в проводах; а — расстояние между проводами.

Нужно учитывать и емкостные связи между проводами. Так, при длине соединительных линий 30 м, погонной емкости 150-Ю-¹² Ф/м и сопротивлении линии 100 Ом может быть получено напряжение помехи порядка 15,5-10~³ В при напряжении на силовых проводах 220 В.

По форме помехи любого происхождения разделяются на импульсные, флук-туационные и регулярные.

Импульсные помехи — это случайно появляющиеся импульсы (но обычно с интервалом не менее длительности импульса) произвольной формы. При не­зависимости времени и амплитуды импульсов помех вероятность появления К

импульсов в течение времени t будет равна р_к (t) — „ ^с~ ° (здесь /Со —

среднее число импульсов в единицу времени), а плотность распределения ве­роятностей логарифмов амплитуд импульсов

Весьма часто форма импульсов имеет экспоненциальный характер:

y(t) = A(l—e-"^1ty, y(t)=A₀ (l-e-^eoscv). Флуктуационные помехи — непрерывный случайный процесс, распределение вероятностей которого близко к нормальному:

f(y) = (l/V^°)e-^y2l²'*.

Корреляционные функции помехи часто описываются выражениями

R_x (%) = а2_е-"^ао 1 ^т I или R_x (т) = а2й-° 1 ^т 1 cos со₀т.

Регулярные помехи наиболее часто проявляются в виде наведенных помех с частотой сети и ее гармоник:

J

У (0 = А_в + ^ Aj cos (со/ + _¥у). /=1 Весьма широко используется разделение помех на аддитивные, независимые от полезного сигнала, и мультипликативные. Аддитивные помехи y(t) могут суммироваться с полезным сигналом x(t), а мультипликативные помехи служат множителем этого сигнала.

Основные способы защиты от помех

Для оценки эффективности защиты от помех далее используется коэффи­циент ослабления помех 20 logu_n._Вх/«п.вых, дБ.

К общим мерам уменьшения влияния помех следует отнести использование вида модуляции сигналов, обеспечивающего нужную помехоустойчивость, и повышение уровня полезного сигнала. Рациональный выбор вида модуляции сигналов может быть сделан, если известен характер помех. При таком выборе должен быть использован соответствующий материал [7.1].

Для повышения уровня полезного сигнала используется переход к импульс­ной модуляции. Предполагается, что при переходе от AM- к АИМ-сигналу удается сокращением длительности импульса повысить его амплитуду. Предел такому повышению сигнала ставят тепловые, временные ограничения, а в не­которых случаях — электрическая прочность элементов измерительной цепи. При использовании импульсного питания измерительных цепей с тензорезисторами, закрепленными на поверхности металлической детали с достаточной теплоем­костью, удается повысить полезный сигнал более чем на порядок и ослабить влияние помех до 20 дБ. Нужно отметить, что длительность импульса, постоян­ные времени измерительной и тепловой цепей должны быть такими, чтобы за время измерения тепловой режим изменился незначительно.

Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них —■ гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места за­земления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов и разделительных конденсаторов. Принцип их действия ясен из рис. 7.22 и 7.23. Ключи могут быть как контактными, так и бесконтактными. Гальваническое разделение измерительных цепей с помощью оптронов пока на­ходится в исследовательской стадии.

Рис. 7.22. Измерительные схемы для уменьшения продольных помех с раздели­тельным и компенсирующим трансформаторами:

Э|, Э₂ — экраны; г_и, г_л — сопротивления генераторного датчика и проводов; £_пд — ЭДС продольной помехи; L\, L₂, Z.s — обмотки компенсирующего трансформатора

^тп

Рис. 7.23. Измерительные схемы для уменьшения продольных и попереч­ных помех:

ТП — термопара; КТ — компенсирующий трансформатор; С — разделительный кон­денсатор

rex r

%2

4ZZ3-

_D'

-CZb

-па

_-0

Рис. 7.24. Симметрирование входной цепи

Другая мера — симметрирование входной измерительной цепи (рис. 7.24). Напряжение от продольной помехи ^пд на входе АВ: ы_ав=£'пд'[Лех1/(^ех1 +

тГв+'л)- #BX2/(#BX2 + ^)] При ЯвХ1=#вх2>''и+''л СТрвМИТСЯ К НуЛЮ. ЕСЛИ

соединить точку между R_Bxi и Rbz.2 ^c землей через высокоомное сопротивление Ro, то можно добиться дополнительного уменьшения «(пд)ав.

Наконец, используются мостовые цепи, сбалансированные по напряжению продольной помехи, и компенсирующие трансформаторы.

На рис. 7.22,6 представлен трехобмоточный (Lj, L₂, L₃) трансформатор, в обмотках L_t и L₂ которого наводятся напряжения, компенсирующие влияние помехи .Епд.

Имеются трансформаторы (фирма Philips), у которых индуктивность обмо­ток равна 400 Гн, а активное сопротивление — 240 Ом; в такой схеме происхо­дит уменьшение продольной помехи 50 Гц примерно в 500 раз.

Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины прово­дов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычи-

таются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков.

Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имею­щие гальванические развязки должны иметь свои экраны. Экранировка прово­дов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ.

Компенсировать наведенные помехи можно путем организации специальных контуров. Типичные решения при этом связаны с трехпроводными схемами под­ключения датчиков (см. предыдущий параграф), применением компенсирующего трансформатора и др. При использовании параметрических датчиков можно изменять полярность питания измерительной цепи и брать среднее из суммы и разности полезного сигнала и_с и помехи и^ : [(ц_п + «с) + («п—ы_с)]/2.

При синусоидальной наведенной помехе возможно выполнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком мето­де удается получить значительное ослабление помехи.

Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания про­кладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уров­нем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней долж­на проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания.

Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Неко­торые из таких мест определяются правилами электробезопасности или техно­логическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (например, при­соединением спая термопар к металлической поверхности). Некоторые точки заземления могут появиться в процессе измерительного эксперимента, напри­мер, из-за нарушения сопротивления изоляции, что может привести к органи­зации контуров, вызывающих дополнительные погрешности. Такие контуры об­разуются, если заземлять экраны в нескольких точках. При проектировании системы рекомендуется составить и проанализировать схему заземления, а при наладке — уточнить ее.

Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обра­боткой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся здесь виды обработки — это фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усред­нение.

В интегрирующих аналого-цифровых преобразователях ослабление влия­ния помех может достигать 100 дБ.

Индивидуальные фильтры, как правило, просты (обычно однозвеиные 7?С-фильтры). Их частотная характеристика выбирается, исходя из спектральных характеристик сигналов и помехи. Удобные номограммы для расчета RC-фильт-ров приведены в [7.14, 7.15]. Ослабление сигнала и внесение запаздывания — наибольшие недостатки фильтрации. На практике при фильтрации и избира­тельном усилении удается ослабить помехи на 40 дБ, а при методе накопле­ния— иа 120 дБ.

При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданно­го уровня.