2. Экранирование сигнальных кабелей

Методы экранирования сигнального кабеля непосредственно следуют из изложенного. Для устранения паразитной емкостной связи и электростатических зарядов используют электростатический экран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые провода, а для защиты от магнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Заземление экранов каналов с витой экранированной парой - наиболее типично для систем ПА.

Рис.1.40. Пример неправильного заземления экрана кабеля на низких частотах (с двух сторон)

Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель нужно заземлять с одной стороны. Если его заземлить с 2-х сторон (рис.хх1.40), то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая э-м помеху (на рис.хх1.40 путь тока помехи показан штриховой линией). Ток, протекающий по экрану, является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводах, находящихся внутри экрана. Хотя магнитное поле тока оплетки внутри экрана теоретически равно нулю, но вследствие технологического разброса при изготовлении кабеля, а также ненулевого сопротивления оплетки наводка на провода внутри экрана может быть значительной. Поэтому экран нужно заземлять только с одной стороны, причем со стороны источника сигнала.

Если точки заземления концов кабеля разнесены на большое расстояние между ними может существовать разность потенциалов, вызванная блуждающими токами в земле или помехами в шине заземления. Блуждающие токи наводятся электрифицированным транспортом (трамваями, поездами метрополитена и железных дорог), сварочными агрегатами, устройствами электрохимической защиты, естественными электрическими полями, вызванными фильтрацией вод в горных породах, диффузией водных растворов и др.). Особенно большие токи возникают при ударе молнии. Блуждающие токи вызывают разность потенциалов Е_помехи между концами оплетки кабеля и паразитный ток, который также наводит в центральных жилах помеху из-за взаимоиндукции.

Если заземление сделать со стороны приемника (рис. хх1.41), то ток помехи будет протекать по пути, показанному на рис.хх1.41 штриховой линией, т.е. через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами, напряжение помехи. Поэтому заземлять оплетку нужно со стороны источника сигнала (рис.хх1.42). В этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.

Рис.1.41. Пример неправильного заземления экрана кабеля - со стороны приемника сигнала

Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, так как в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.

Рис.1.42. Правильное заземление экрана. Конденсатор используется для ослабления высокочастотных помех

Рис.1.43. Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах

На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м), возрастает сопротивление оплетки (п.хх 3.2.6), что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними (рис. хх1.43). Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока I_земли, передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, показанному на рис. хх 1.41, однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор числа точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления.

В качестве промежуточного варианта можно использовать 2-е заземление экрана через емкость (рис.хх1.42). При этом по высокой частоте экран получается заземленным с 2-х сторон, по низкой частоте - с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10...20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Значение емкости должно составить С_ВЧ = 1/(2π f X_c), где f - верхняя частота границы спектра помехи, Х_с - емкостное сопротивление заземляющего конденсатора (доли ома). Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1.6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью.

Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран (рис.хх1.44). Внутренний экран заземляют с одной стороны - со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи по механизму, показанному на рис. хх1.41, а внешний экран уменьшает высокочастотные наводки.

Рис.1.44. Двойное экранирование длинного кабеля

Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей.

Частота помехи - та, которую могут воспринимать чувствительные входы СА. Если на входе аналогового модуля имеется фильтр, то максимальная частота помехи, которую надо учитывать при экранировании и заземлении, определяется верхней граничной частотой полосы пропускания фильтра.

Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель.

Результаты экспериментального сравнения различных способов подключения источника сигнала (рис.хх1.45)(терморезистора сопротивлением 20 кОм) через экранированную витую пару (0,5 витка на сантиметр) длиной 3,5 м с использованием инструментального усилителя RL-4DA200 и системы сбора данных RL-40AI [НИЛ АП] представлены на рис.1.45.

Характеристики стенда: коэф-т усиления канала 390, полоса пропускания 1 кГц.

Рис.1.45. Зависимость среднеквадратичного напряжения помехи в полосе частот 0,01...5Гц, на выходе усилителя от способа включения усилителя и экрана: а - величина помехи 15 мкВ; б - 61 мкВ; в - 78 мкВ; г - 3584 мкВ

Как следует из рис.1.45, отказ от экранирования увеличивает значение помехи в 4 раза (рис.1.45,б), переход к одиночному включению вместо дифференциального (рис.1.45,в) увеличивает помеху в 5 раз, а если еще и отказаться от экрана, то помеха увеличивается в 230 раз (рис.1.45,г).

Экран, защищающий от паразитных индуктивных связей, сделать гораздо сложнее, чем электростатический экран. Для этого нужно использовать материал с высокой магнитной проницаемостью и, как правило, гораздо большей толщины, чем толщина электростатических экранов. Для частот ниже 100 кГц можно использовать экран из стали или пермаллоя. На более высоких частотах можно также использовать алюминий и медь.

В связи со сложностью экранирования магнитной составляющей помехи особое внимание следует уделить уменьшению индуктивности сигнального провода и использовать балансные цепи передачи сигнала или оптический кабель.