6.6 Боротьба з завадами при вимірюванні малих сигналів

Крім власних шумів засобів вимірювання у вимірювальних колах присутні ще сигнали завад, які проникають із зовні через електростатичне і електромагнітне поле, або ж через ізоляційні елементи.

По характеру проявлення завади ділять на дві групи: 1) синфазні завади (поздовжні завади) – ці завади діють між землею і вхідними затискачами засобу вимірювання; 2) диференційні завади (поперечні завади) – ці завади діють між вхідними затискачами засобу вимірювання. Саме ці завади призводять до появи похибок приладу, оскільки проявляються так само, як вимірюваний сигнал. Синфазні завади небезпечні лише тому, що можуть перетворюватись у диференційні.

Традиційним методом боротьби із завадами є екранування. Провідні екрани, з’єднані зі спільним провідником, захищають вимірювальне коло від завад, викликаних електростатичними та високочастотними магнітними полями. Феромагнітні екрани захищають від впливу постійних і низькочастотних магнітних полів. Для зменшення завад, що проникають в вимірювальне коло через паразитні гальванічні зв’язки, слід підвищувати якість ізоляції і застосовувати так звані охоронні провідники, призначені для відведення на корпус паразитні струми витікання.

Для прикладу на рис. 1.14 наведено схему підсилювача напруги, в якому провідник, що з’єднує джерело вимірюваної напруги з неінвертуючим входом операційного підсилювача, оточений на друкованій платі охоронними провідниками ОП.

Для прикладу на рис. 6.14 наведено схему підсилювача напруги, в якому провідник, що з’єднує джерело вимірюваної напруги з неінвертуючим входом операційного підсилювача, оточений на друкованій платі охоронними провідниками ОП.

Рисунок 6.14 - Захист від поздовжніх завад шляхом використання охоронного провідника

Охоронні провідники електрично з’єднані з низькоомним дільником зворотного зв’язку R1, R2, тому струми витікання, що попадають на ці провідники, не впливають на вихідну напругу. З іншого боку, скінченний опір між вхідним і охоронними провідниками не викликає небажаних струмів, оскільки вони мають практично однаковий електричний потенціал (використовується принцип еквіпотенціального захисту).

Для засобів вимірювання постійного струму значним впливовим фактором є паразитні термо-ЕРС у вхідному колі. Ці ЕРС виникають через наявність в колі різнорідних матеріалів, зокрема через наявність з’єднань мідного провідника з олов’яним припоєм (наприклад, термо-ЕРС міді з припоєм ПОС-40 складає біля 2,8 мкВ на 1˚С). Для захисту від термо-ЕРС намагаються зменшити температурний градієнт в тій частині корпусу, де знаходяться вхідні кола засобу вимірювання. Перепад температури по вертикалі зазвичай більше, ніж по горизонталі, тому доцільно контакти різнорідних матеріалів розміщувати на одному рівні і близько один від одного.

Електромеханічні вимірювальні прилади чутливі до механічних завад – вібрацій, струсів, ударів. Тому їх встановлюють на масивних фундаментах або полицях, закріплених на капітальних стінах будинку. Вібрації можуть впливати і на електронні прилади. При переміщенні в магнітному полі Землі вхідного контуру приладу в ньому наводиться ЕРС, для зменшення якої слід зменшувати площу контуру. З цією метою як вхідні провідники доцільно використовувати вхідні пари.

Для зменшення впливу поздовжніх завад у засобах вимірювання з несиметричним входом у найпростішому випадку з’єднують його низькопотенціальний вхідний затискач з корпусом (рис. 6.15, а). Джерело сигналу U_вх з’єднують з входом приладу двохпровідною лінією, опори провідників якої дорівнюють r₁ і r₂. Джерело сигналу і вимірювальний прилад через опори Z₁ і Z₂ з’єднані з землею. Ці опори обумовлені ємнісними і гальванічними витіканнями на землю, або ж опором заземлення, якщо такий є. Між точками землі а і б є опір Z₃ і напруга U_п, викликана наявністю блукаючих струмів, струмів заземлення силових установок і т.ін. Напруга U_п являє собою поздовжню заваду. За рахунок цієї завади на вході приладу R_вх буде створюватись напруга поперечної завади, яка буде рівна

, (6.40)

де Z_1,2,3=Z₁+Z₂+Z₃. Комплексні опори Z₁, Z₂, Z₃ практично не піддаються контролю і можуть навіть виявитись близькими до опору низькопотенціального провідника r₂. Тому тут поздовжня завада значною мірою перетворюється на поперечну U_п.вх.. Для зниження впливу поздовжніх завад можна виконувати вхід приладу симетричним, щоб опори між кожним з вхідних затискачів і корпусом були великими.

Н

Рисунок 6.15 - Захист від поздовжніх завад шляхом з’єднання низьнизькопотенціального входу з корпусом (а) і використання

трьохпровідної екранової лінії підключення (б)

айбільшою мірою вплив вхідних завад послаблено у засобах вимірювання, у яких вхідну частину гальванічно відокремлено від вимірювальної частини і використовуються захисні екрани. З’єднання джерела сигналу з вхідними затискачами здійснюється по трьохпровідній лінії (рис. 6.15, б). Третій провідник (r₃ на рис. 6.15, б) виконується у вигляді циліндричного екрану, що охоплює два інших провідника, і з’єднує низькопотенціальний вивід джерела сигналу з внутрішнім екрануючим кожухом. Цей кожух екранує вхідну частину приладу. Він ізольований від корпуса приладу і низькопотенціального вхідного затискача (опори ізоляції Z₄ і Z₅). Поперечна завада в даному випадку може бути визначена як

. (6.41)

Якщо забезпечити високий опір ізоляції Z₄ і Z₅, то поперечна завада складатиме малу частину поздовжньої завади, якою можна знехтувати.

Як вже зазначалося, вхідні провідники r₁ і r₂ слід скручувати між собою для захисту від електромагнітних полів і екранувати, щоб запобігти впливових електростатичних полів. Електростатичний екран на рис. 6.15 не показано. Він зазвичай електрично з’єднується з корпусом приладу. Зауважимо, що у випадку застосування схеми рис. 6.15, б це буде другий екран, що охоплює з’єднувальні провідники r₁ і r₂ разом з першим екраном r₃, однак не з’єднаний з останнім електрично.

Якщо прилад за своїми динамічними властивостями еквівалентний фільтру нижніх частот, то чим менша його смуга пропускання, тим менше впливає завада мережі живлення на результат вимірювання. Для такого приладу коефіцієнт передачі завади мережі живлення визначається співвідношенням

, (6.42)

де f_c – частота мережі; τ – постійна часу фільтра.