Помехой называется случайное воздействие, искажающее передаваемый сигнал [2]. Действие источников помех на измерительную цепь представлено на рис. 2.1.
E1, E2, En – действие источников помех, x и y – сигналы на входных и выходных зажимах измерительного преобразователя
Рисунок 2.1 – Измерительная цепь и источники помех
При разработке методов снижения влияния помех на результат измерения различают три основных направления. Первое объединяет методы воздействия на источники помех с целью уменьшения уровня создаваемых ими помех – подавления помех в самом источнике возникновения. Второе направление объединяет методы, уменьшающие возможности проникновение любых помех в измерительные цепи путём устранения паразитных связей измерительной цепи с источниками помех.
Применяя методы защиты, не всегда удается в необходимой степени предотвратить проникновение паразитных сигналов в измерительную цепь. Методы, уменьшающие воздействия аддитивной помехи на погрешность измерения, составляют третье направления борьбы с помехами. Обобщенная структурная схема классификации методов повышения помехозащищенности СИ приведена на рис.2.2.
Рисунок 2.2 – Структурная схема классификации методов повышения помехозащищенности СИ
Эти методы основаны на использовании каких-либо различий (спектральных, временных, фазовых и т.д.) полезного сигнала и помехи и называются методами повышения помехоустойчивости устройства. Если различия между полезным сигналом и помехой отсутствует или неизвестно, то выделить полезный сигнал не предоставляется возможным [3].
1.2.1 Методы защиты от помех
Согласно схеме рис.2 методы защиты СИ от помех включают в себя устранение паразитных связей с источниками помех и подавление помех в источнике их возникновения. Наиболее подвержены воздействию помех линии связи «датчик – измерительный преобразователь».
С ростом расстояния, на которое передается сигнал, неизбежно падает отношение «сигнал-шум». Поэтому непосредственная передача сигналов по проводам и кабелям ограничена сравнительно малыми дистанциями.
На расстояния более 500м информация должна передаваться с использованием специального кодирования, частотной модуляции и других специальных мер защиты.
В пределах объекта (цеха, участка, установки) лучше всего использовать связи с дифференциальными двухпроводными линиями и передачу токовыми сигналами. При этом надо учесть уровни ослабления помех для нижних частот при различных способах экранирования, ориентировочные относительные значения которых даны на рис. 2.2. На данном рисунке указано подавление индуктивных помех по сравнению с простой однопроводной схемой, штриховой линией обозначен внешний металлический экран.
Рисунок 2.2 – Схемы экранирования линий связи
При прокладке линий связи следует учесть, что существуют основные типы наводимых помех:
а) помехи от сети и силового оборудования. Это типичные индуктивные помехи ближнего электромагнитного поля. Их интенсивность зависит от порождающего поле тока и от площади контура, образуемого проводниками, пересекаемыми полем. Поэтому основной метод борьбы с сетевыми помехами – уменьшение числа замкнутых контуров с малыми полными сопротивлениями (особенно опасны контуры в шине земли). При скрутке проводов дифференциальной пары (или сигнального провода с земляным) не только минимизируется площадь контура, но и провода на каждом участке скрутки оказываются ориентированными в разные стороны по отношению к помехе;
б) электрические или емкостные помехи. Эти помехи часто вызываются емкостными связями между проводниками самой системы. Плоскостное расположение элементов, плоские многожильные жгуты (выпускаемые в готовом виде) и простейшее экранирование заземленными металлическими экранами обычно достаточно эффективны. При малых расстояниях между параллельно установленными печатными платами с быстродействующими цифровыми элементами фронты переключений этих элементов «пролезают» с платы на плату в виде коротких импульсов – «иголок». Лучший способ борьбы с этим явлением – установка между монтажными платами экранирующих плат из фольгированного текстолита с заземленным слоем фольги.
Если линия служит для управления мощными импульсными устройствами, например шаговыми двигателями, силовыми реле и т. п., то помимо помех, попадающих с линии, много проблем возникает с помехами от самих этих устройств. В этих условиях следует использовать оптронную гальваническую развязку на соответствующих логических выходах.
При организации связей надо предельно внимательно относиться к разъемам. У лучших типов сигнальных разъемов пружинные контакты розеток выполняются в виде не одной пластины, а ряда параллельных тонких пружинок, поэтому обеспечивается множество контактных точек в каждом соединении. Тем не менее окисная пленка может все равно препятствовать прохождению сигналов низкого уровня и вносить в цепь термо-ЭДС. Поэтому желательно использовать для сигналов низкого уровня разъемы с золочеными контактами. Прохождение высокочастотных сигналов низкого уровня через разъемы можно облегчить, пропуская через тот же контакт в одном направлении постоянный ток силой 0,5-1 мА.
в) высокочастотные радиопомехи от ближних телевизионных станций, радиоаппаратуры, рентгеновских установок и т. п. Их уровень зависит от длины проводов-антенн. Экранирование здесь обычно малоэффективно, и лучший способ борьбы с ними – установка на длинные провода ферритовых колец с высокой магнитной проницаемостью. Заметим, что на частотах до сотен килогерц такие ферритовые кольца не влияют на работу самой схемы. При использовании экранированных кабелей следует учитывать большую емкость, вносимую ими и нагружающую источник сигнала. Один из способов уменьшения влияния емкости кабеля при передаче сигналов — введение следящей связи по экрану. Ещѐ два полезных способа передачи и приема сигналов в линиях связи – это правильное подключение нагрузки (в частности, мощного реле, искателя, обмотки шагового двигателя) к системе. Каскад усиления мощности располагается у источника сигнала, а не у нагрузки, поэтому последняя фактически управляется током, а не напряжением. При индуктивной нагрузке необходим диод для демпфирования выброса.
Установка резисторов на приемном конце обязательна: витая пара действует как длинная линия с волновым сопротивлением около 100-200 Ом, и резисторы устраняют возможные отражения. К линиям связи нельзя непосредственно присоединять тактируемые элементы (триггеры, одновибраторы и т.п.), они обязательно должны отделяться от линии буферными каскадами [4].
г) Помехи постоянного тока – паразитные термо-ЭДС. Эти помехи возникают в основном в термометрических цепях. Они опасны в цепях с низким уровнем сигнала.
д) Помехи, вызванные наличием земляных контуров. Сюда относятся помехи, обусловленные общим заземляющим проводом для сильноточных и измерительных цепей, и помехи, вызванные заземлением измерительной системы в нескольких неэквивалентных точках. Эти помехи называют помехами общего вида, понимая под ними разность потенциалов любого происхождения, действующими между точкой заземления источника сигнала и точкой заземления измерительного устройства. Уровень помехи общего вида значителен. Разность потенциалов между точкой заземления источника сигнала и точкой заземления измерительного устройства равна в среднем 1 В, достигая в отдельных случаях 5-10 В. Этот источник помехи обладают широким спектром (постоянный ток, сигнал с частотой сети и его гармоники, импульсное напряжение, возникающие при переходных процессов силовых цепях).
е) Помехи, связанные с электропитанием. Эти помехи представляют собой совокупность помех с частотой сети, низкочастотных и высокочастотных возмущений и нестационарных коммутационных выбросы (импульсные составляющие). Низкочастотные возмущение проявляются обычно виде «провалов» напряжение сети и значительное реже выбросов. Провал напряжения характеризуется внезапным кратковременным падением сетевого напряжения; они могут быть вызваны атмосферными электрическими разрядами, неправильно установленными реле системы защиты, аппаратами для контактной сварки, дуговыми печами, мощными электродвигателями, работы штамповочного и прессового оборудования. Провала напряжение сети могут составлять 15 – 30 % номинального напряжение. При срабатывании реле защиты провала достигает 100 % и могут длиться 1 – 5 периодов сетевой частоты. Стационарные высокочастотные возмущения проявляются в виде импульсов, которые возникает в сети каждый раз, когда совершается та или иная коммутация в сети.