Виды помех

Проектирование современных систем автоматизации сопряжено с некоторыми сложностями, возникающими ещё на этапе коммутации датчиков с измерительными приборами. Часто появляются непредвиденные проблемы, возникновение которых предсказать очень сложно, и для их решения требуется проведение экспериментов. Между тем отдельные условия, при которых возникают помехи, равно как и способы их устранения, хорошо изучены и с успехом применяются на практике.

Понимание причин появления помех позволяет уже на стадии проектирования систем автоматизации осуществить правильный выбор и оптимальное размещение оборудования, обеспечить должную защиту при экранировании и разводке кабелей, что в конечном итоге ускоряет внедрение системы на энергетическом объекте.

• Воздействия посредством системы кондуктивных связей.
• Влияние неэквипотенциальности заземляющих устройств.
• Наводки через взаимную индуктивность между проводниками.
• Электромагнитные высокочастотные наводки.
• Наводки через ёмкостные связи проводников.

Применяемые источники информационных сигналов (датчики для измерения температуры, влажности, давления, веса и пр.) могут быть иметь заземление (Рис.1а) или устанавливаться без него (Рис.1б).

Рис. 1. Примеры заземлённых (а) и незаземлённых (б) источников

К незаземленным или по-другому плавающим источникам сигналов относятся обычные батарейки, термопары, датчики на основе пьезоэлектрического эффекта, изолированные операционные усилители. При отсутствии заземления в качестве сигналов используется разность потенциалов, возникающая между выводами источника сигнала (V1). При этом потенциал выводов источника, измеренный относительно «земли» (Vс), считается паразитной или синфазной помехой и он не должен сказываться на точности результатов проведённых измерений. Если один из выводов заземленного источника соединён с заземляющим устройством, то на другом выводе измерение напряжения осуществляется относительно «земли».

Если заземлить один из выводов плавающего источника, тогда можно получить заземлённый источник сигнала. Обратное превращение (из заземленного в плавающий) выполнить на практике довольно проблематично: очень часто конструкция датчика или сама схема преобразования измеренного показателя в сигнал не позволяет осуществить данную операцию. Поэтому конструкция и схемотехника плавающих источников намного сложнее, чем у заземленных. Кроме источников сигнала, основанных на изменении напряжения, существуют аналогичные источники, работающие на изменении силы тока.

Аналогично, данные источники могут быть плавающими или имеющими заземление. Приемник сигнала (к примеру, система для сбора информации) может измерять сигнал относительно заземляющего устройства или относительно другого входа. В первом случае получим приемник сигналов с недифференциальным или по-другому одиночным входом (Рис. 2 а), в другом случае будет дифференциальный приемник сигнала (Рис. 2 б).

Рис. 2. Приёмник сигнала с недифференциальным (одиночным) входом (а) и дифференциальным (б).

Дифференциальный приёмник сигнала позволяет измерять разность потенциалов, возникающую между двумя проводниками. Разность потенциалов рассчитывается относительно "земли" (общего провода) приемника. У дифференциального приемника сигналов есть 3 входа: два входа для получения сигналов и один общий вход (заземление). Необходимо отметить, что "земля" источника и "земля" приемника сигнала имеют отличающуюся разность потенциалов. Поэтому следует считать, то это разные "земли" и на последующих схемах для них будут предусмотрены различающиеся условные обозначения.

Современные дифференциальные приемники могут иметь конструкцию, основанную на применении изолированного источника питания или конструкцию на основе использования схемы вычитателя, который позволяет определять разность потенциалов, возникающую между двумя узлами в электрической цепи (сигнал дифференциального типа). В качестве примеров приемников с одиночным входом можно привести такие приборы, как тестеры, системы для сбора данных на основе мобильных компьютеров или малогабаритные осциллографы с автономным питанием.

Примерами приемников дифференциального типа, созданными на основе вычитателя, являются схемы, включающие инструментальный дифференциальный усилитель с высоким коэффициентом подавления синфазного сигнала. Несовершенство приемников дифференциального типа заключается в следующем: на выход приемника, кроме дифференциального сигнала, попадает более слабый синфазный сигнал, а коэффициент передачи данного сигнала, имеющий название «коэффициент ослабления синфазного сигнала KCMRR», в несколько раз меньше, чем у дифференциального сигнала.

Для промышленных систем автоматизации наибольший интерес представляет коэффициент подавления синфазного сигнала, имеющий частоту 50 Гц и представляющий собой электромагнитную наводку от сети с рабочим напряжением 220 или 380 В. Напряжение на выходе из дифференциального приемника (рис. 2б) определяется по следующей формуле:

Следует заметить, что нельзя создать дифференциальный приемник сигнала из двух одиночных приемников при помощи обычного вычитания сигналов на их выходах (Рис. 3).

Рис. 3. Пример недопустимой схемы для усилителя с дифференциальным входом

Предположим, что мы взяли 2 усилителя с одиночным входом (2 канала из многоканальной платы ввода, снабженная одиночными входами) и поставили цель выделить дифференциальный сигнал при помощи вычитания напряжений V1 и V2. Представленная ситуация изображена в схематичном виде на Рис. 3. Для данной схемы можно записать следующее выражение:

В идеальном случае, когда коэффициенты усиления K1 и K2 и K0 имеют равные значения, можно получить дифференциальный приемник сигнала:

В реальности между фактическими коэффициентами усиления приемников и теоретическим значением K0 существует погрешность g, определяемая по формуле:

Расчётная погрешность включает инструментальную погрешность приемников сигнала, напряжение смещения нуля, шумы при работе электронных приборов и другие виды погрешностей. 

В случае наибольшей погрешности на выходе (экстремальное значение погрешности) примем значения погрешностей равными по абсолютной величине g и разными по знаку. Тогда выражение (3) примет вид:

Подставляя данные значения в (2), получим:

Следовательно, в схеме, представленной на Рис. 3 сумма погрешностей усилителей, имеющих одиночный вход (2 g), перемножается на отношение значений синфазного сигнала и дифференциального. Измеряя сигналы, исходящие от термопар и других датчиков, данное соотношение может составлять нескольких порядков. Следовательно, погрешность измерения дифференциального сигнала подобным методом будет тоже на несколько порядков больше.

Рассмотрим интересный пример. Предположим, что нам потребовалось получить дифференциальный сигнал, обладающий разрешающей способностью 12 бит (в данном случае отношение погрешности к сигналу составляет 1/4096). Также предположим, что искомая погрешность определяется синфазной помехой и равна gc,

Поэтому требуется разрешающая способность не меньше чем 17 бит. При соотношении между синфазным и дифференциальным сигналом, составляющим 10 к 1, для достижения разрешающей способности в 12 бит, необходим усилитель с разрешающей способностью 17 бит. Следовательно, при измерении разности двух напряжений, надо усиливать потенциал V1, который измеряется относительно потенциала V1, но, ни в коем случае относительно заземляющего проводника. Данный принцип лежит в основе конструкционной схемы многих высокоточных усилителей с дифференциальным входом.

Измерение напряжения на заземленных источниках

Далее рассмотрим случай, когда для измерения напряжения заземленного источника сигнала e1 (Рис. 4) используется заземленный приемник.

Рис. 4. В разных точках существует различное напряжение заземлённого источника

Так как, заземление источника и приемника сигнала разнесены в пространстве, то у них будет разный потенциал и, соответственно, различное обозначение на приведенной схеме. Разность потенциалов между «землей» источника и приёмника сигнала равняется Vg.

Согласно общепризнанной теореме об эквивалентном генераторе данная разность потенциалов может быть представлена на приведённой схеме источником напряжения

где Rg – сопротивление «земли»,
Ig – ток, проходящий через сопротивление (рис. 5)

Рис. 5. Разность потенциалов между «землёй» источника сигнала и его приёмника равноценна последовательному подключению источника напряжения и источника сигнала

Напряжение, приложенное к входу приемника Vin , получается равным сумме напряжений источника сигнала и разности потенциалов между двумя заземляющими проводами. В этом случае результат проведенных измерений, выполненных по указанной схеме, будет включать дополнительную погрешность Vg . Если источник сигнала и приемник сигнала располагаются рядом или если напряжение сигнала будет усилено, тогда величина погрешности окажется в допустимых пределах.

Положение можно улучшить, если использовать для соединения заземляющего провода приемника и источника сигнала медный проводник с небольшим сопротивлением (Рис. 6).

Рис. 6. Сопротивление проводника, соединяющего заземление источника и приемника сигнала, имеет конечное значение

Но это не позволяет полностью исключить паразитное напряжение Vg, так как индуктивный ток, возникающий по причине разности потенциалов между заземляющими проводниками, будет проходить по проводу, соединяющему «земли». Чаще всего, главными компонентами этого тока считается помеха (частота 50 Гц) и электродвижущая сила, наведённая электромагнитными полями с высокой частотой. В этом случае основная роль отводится индуктивности проводника, для устранения которой необходимо использование в схеме дифференциального приемника.

Максимальная точность измерения сигнала для заземленного источника, получается по схеме, приведённой на Рис. 7. Наличие дифференциального приёмника сигнала позволяет добиться уменьшения синфазного напряжения помехи Vg в KCMRR раз.

Рис. 7. Для измерения сигнала от заземленного источника используется дифференциальный приёмник

Необходимо отметить, что на приведенной схеме (Рис. 7) не следует соединять один из входов с заземлением приёмника, так как в этом случае получится схема с одиночным входом (См. рис. 6) и характерными недостатками.

Измерение напряжения у незаземленных источников

Для точного измерения напряжения плавающих (незаземлённых) источников сигнала можно использовать приёмники с одиночным или дифференциальным входом. Но при использовании приёмников второго типа следует обращать внимание на значение синфазного сигнала, которое должно находиться в пределах рабочего диапазона. Величина сопротивления между любым дифференциальным входом и заземляющим проводником может быть значительной, что приведёт к падению напряжения свыше 10 вольт даже при небольшом токе помехи. При этом приёмник сигнала перейдёт в режим насыщения.

В состав тока помехи могут входить следующие токи: входные токи смещения от приёмника дифференциального типа и ток паразитной ёмкостной связи от источника помехи. Для снижения негативного воздействия от данного эффекта следует соединить через резисторы входы дифференциального приёмника и заземляющий проводник (Рис. 8). При значительном внутреннем сопротивлении источника сигнала применяют резисторы с одинаковым значением сопротивления.

При невысоком внутреннем сопротивлении источника (термопары и другие датчики) можно использовать один резистор, так как разница сопротивлений не играет большой роли. Если источник и приёмник сигнала соединены при помощи развязывающих конденсаторов, то в этом случае характеристики резисторов должны быть идентичными. При проведении особо точных измерений подобные резисторы обеспечивают отличную симметрию дифференциальной пары проводов и способствуют улучшению эффекта компенсации, возникающего от синфазной помехи.

Рис. 8. Применение резисторов для устранения причины насыщения дифференциального приёмника

Для снижения величины синфазного сигнала подбирают резисторы с минимальным сопротивлением, которое должно на порядок и более превышать значение внутреннего сопротивления источника сигнала. Данное требование позволяет исключить погрешность при проведении измерений. Например, для термопар значение сопротивлений находится в стандартном диапазоне от 10 до 100 кОм. Приемники сигнала с дифференциальным входом имеют лучшую защиту от помех по сравнению с приёмниками, где используется только один вход.

Выбор конкретного типа приёмника зависит от требований к системе и фактических условий их применения. В ходе проведённого эксперимента сравнивались величины помех для приемников обоих типов. Для источника сигнала использовался терморезистор с R = 20 кОм и проводник длиной пять метров (витая пара). Дифференциальный приёмник был представлен инструментальным комплексом, состоящим из цифрового усилителя RL 4DA200 и системы по сбору информации RealLab! (RLDA).

По результатам эксперимента было установлено, что если вместо одиночного включения применять дифференциальное, то данном случае можно снизить среднеквадратичную величину напряжения помехи в 136 раз. Полученный эффект объясняется принципом работы дифференциального усилителя, который ослабляет помехи с учётом коэффициента подавления синфазного сигнала (в
KCMRR раз). Между тем усилитель, имеющий всего один вход, воспринимает помеху без ослабления.

В итоге можно резюмировать, что приемники с одиночным входом применяются при соблюдении следующих условий:

• Небольшое расстояние между приёмником и источником сигнала (несколько метров).
• Достаточная величина сигнала (порядка 1 В) или при наличии усилителя.
• При использовании проводника с низкоомным сопротивлением для соединения выводов «земля» источника и приёмника сигнала в одной точке.
• При невыполнении этих условий, необходимо всегда использовать приемники сигнала с дифференциальным входом.

К одной из причин появления погрешности при передаче сигнала относится падение напряжения Vg в пределах участка провода, который является общим для сигнала и определенной нагрузки (см. Рис. 9). Подобная паразитная связь именуется резистивной (кондуктивной). В качестве нагрузки может выступить цифровая схема и заземляющий проводник, а также любой случайный провод, замкнувший «землю» и корпус оборудования, через который проходит ток INN от источника eNN.

Например, стандартная схема из нескольких операционных усилителей, приводит к падению напряжения свыше 1 мВ на проводе длиной всего 0,2 метра. Это вполне сравнимо со значением МЗР двенадцатиразрядного приемника сигнала. Также определённые проблемы могут возникнуть от цифровой схемы, работающей во время передачи сигнала аналогового типа. В этом случае, результатирующее напряжение Vin будет равно сумме напряжения помехи Vg и напряжения источника сигнала e1.

Рис. 9. Паразитный ток Is, проходящий по общей части заземляющего провода, вызывает падение напряжения Vg

Для решения этой проблемы необходимо следующее: заземление приемника и источника сигнала выполняется отдельным изолированным проводником, который предназначается только для этого цели (Рис. 10).

Рис. 10. Для решения проблемы с падением напряжения необходимо соединить заземляющий провод источника и приёмника сигнала с помощью отдельного проводника

Для предупреждения появления проблемы с падением напряжения следует делать различия в таких специфических терминах, как «цифровая земля», «аналоговая земля» и «сигнальная земля». Для обустройства правильного заземления необходимо использовать разные провода, которые допускается соединять исключительно в одной точке. Также ни в коем случае нельзя применять сигнальные цепи для питания любой аппаратуры, даже небольшой мощности.

Индуктивные и емкостные связи

Сделаем предположение, что вблизи от сигнального провода находится другой провод, по которому проходит электрический ток с амплитудой IN (Рис. 11). Вследствие возникновения эффекта электромагнитной индукции в пределах сигнального провода появится напряжение помехи VM . Если ток примет синусоидальную форму, то амплитуда напряжения помехи, наводимая на сигнальном проводе, будет вычисляться по формуле

Значение взаимной индуктивности будет пропорционально площади витка, пересекаемого магнитным полем, которое образуется при прохождении тока IN . Под термином "виток" в данном контексте понимается контур, по которому проходит ток, вызванный электродвижущей силой помехи.

Рис. 11. Пути движения индуктивной и ёмкостной помехи, исходящей от источника eN

На Рис. 11 данный контур образован при помощи сигнального провода, входного сопротивления приёмника сигнала, заземляющего провода и выходного сопротивления источника сигнала. Для снижения взаимной индуктивности необходимо уменьшить площадь контура до минимальных размеров, что означает максимально близкое расположение сигнального и заземляющего провода. Чтобы уменьшить эффективную площадь витка, его следует расположить в плоскости, которая перпендикулярна плоскости контура с током, являющегося источником помех.

По формуле (6) следует, что рост индуктивной наводки происходит при увеличении частоты и практически отсутствует при постоянном токе. На Рис. 11 напряжение помехи и источник сигнала имеют последовательное подключение, что вносит в результат измерений аддитивную погрешность. При Rin стремящимся к бесконечности напряжение на входе приемника не зависит от сопротивления источника сигнала и определяется по формуле:

Ёмкостная наводка полностью определяется значением внутреннего сопротивления Ri источника сигнала:

Как следует из формулы 7, при RI равным нулю ёмкостная помеха также будет отсутствовать. Но в действительности у сигнального проводника имеется небольшое резистивное и индуктивное сопротивление, на котором возникает падение напряжения помехи. Это не даёт возможность для полного устранения причины ёмкостной наводки при помощи источника, обладающего низким внутренним сопротивлением. Поэтому нужно обязательно учитывать индуктивность сигнального провода при появлении высокочастотных помех, которые могут вызвать искажение сигнала.

Порядок величин сопротивлений и виды типовых источников сигнала приведены в таблице 1.

Таблица 1. Типовые датчики, используемые в качестве источника сигнала.

Датчики с большим внутренним сопротивлением или имеющие небольшое напряжение сигнала, необходимо устанавливать вблизи усилителя сигнала, чтобы обеспечить совместную работу. В этом случае к приёмнику будет поступать усиленный сигнал. Но чтобы устранить индуктивную наводку, в качестве носителя сигнала вместо напряжения должен использоваться именно ток (Рис. 12). Идеальный источник тока не зависит от характера применяемой нагрузки и от величины наведенной электродвижущей силы.

Рис. 12. Канал передачи сигнала при помощи тока более устойчив к воздействию индуктивных наводок электромагнитного характера

Таким образом, для эффективного уменьшения ёмкостной наводки следует передавать сигнал посредством идеального источника напряжения. Для существенного снижения индуктивной наводки можно использовать идеальный источника тока. В каждом конкретном случае выбор типа носителя информации зависит от преобладающей помехи. Если источник помехи характеризуется большим напряжением, то будут преобладать ёмкостные наводки. Если в качестве источника помехи выступает мощное силовое оборудование потребляющее значительные токи, тогда будут заметны индуктивные помехи.

Следует отметить, что в техническом плане намного труднее экранировать магнитную наводку. Попытки совместить все достоинства передачи сигналами различной формы приводит к тому, что для передачи информации требуется сигнал значительной мощности. Из этого следует вывод, что величина погрешности, вносимая помехами в результаты проведенных измерений, определяется отношением между мощностью сигнала и помехи. Аналогичный вывод можно получить из формулы (6): если сопротивление источника сигнала и нагрузки будет бесконечно малой величиной, то и напряжение будет бесконечно малой величиной, и тогда напряжение помехи также будет стремиться к нулю.

Паразитные связи в линиях дифференциального типа

Эффективное средство для устранения индуктивных и ёмкостных связей – источники сигнала, обладающие дифференциальным токовым выходом и приемники сигнала с низкоомным дифференциальным (токовым) входом (См. Рис.13). Так как информация передается в форме тока, поэтому индуктивная наводка незначительна. Благодаря прекрасной симметрии линии передачи емкостная наводка является синфазной и в значительной степени подавляется входным дифференциальным приемником. Для создания дополнительной защиты применяется экранирование линии. В этих источниках токи имеют противоположное направление и равны друг другу по абсолютной величине.

Рис. 13. Источник и приёмник тока дифференциального типа

Для обеспечения должного качества передачи сигнальные провода выполняются в виде «витой пары» с экранированной поверхностью. В этом случае обеспечивается оптимальная согласованность продольных импедансов, а также импеданса на заземляющий проводник. Из-за различий в длине проводов и разницы в частотных характеристиках импедансов проводников возможно возникновение синфазных помех высокой частоты. Для улучшения согласованности линий в витой паре следует применять провода, которые предназначены для инструментальных измерений.

Использование вместо одной двух витых пар соединенных последовательно, позволяет повысить точность передачи сигнала и уменьшить продольный импеданс в проводниках. К удачным примерам дифференциального способа передачи сигнала можно отнести пару, которая включает токовый передатчик SSM2142 и приемник SSM2141 (Analog Devices) дифференциального типа. Данная пара характеризуется коэффициентом ослабления синфазного сигнала равным 100 дБ (частота 60 Гц) и способна работать с нагрузкой 600 Ом, создавая наибольшее падение напряжения порядка 10 В.

Для предотвращения ситуации, когда выходные каскады источников тока насыщаются разностью токов (I1 -I2) можно применять способ, идентичный с тем, что представлен на Рис.8. Однако в этом случае резисторы должны соединяться с заземлением источника сигнала.

Характерная особенность токовых каналов передачи информации заключается в том, что в соответствии с формулой (7) при значительном сопротивлении приёмника и источника сигнала относительно заземляющего провода напряжение ёмкостной наводки будет максимальным. Использование в схеме резисторов, предназначенных для заземления тока помехи (Рис. 8), несколько улучшает положение, однако такие резисторы не могут иметь очень малое сопротивление, поскольку это способствует увеличению влияния их рассогласования на погрешность передачи тока.

Экранирование сигнальных проводников

Для экранирования сигнального провода используются различные методы, учитывающие пути прохождения помех. Электростатический экран в форме проводящей трубки позволяет полностью устранить неблагоприятное воздействие паразитной ёмкостной связи. Для защиты от влияния магнитного поля применяются материалы с повышенной магнитной проницаемостью.

При подключении электростатического экрана его нельзя одновременно подключать к заземлению приемника и источника, так как в этом случае через экран будет идти ток, вызванный разностью потенциалов на заземляющих проводах (Рис. 14). Если разность потенциалов достигнет нескольких вольт, сила тока может достигать нескольких ампер. Также этот ток вызывает индуктивные наводки на других проводах, находящихся рядом или расположенных внутри экрана. При неточном центрировании проводов внутри защитного экрана могут возникнуть наводки значительной величины. Таким образом электростатический экран необходимо заземлять лишь со стороны источника сигнала.

Рис. 14. Пример неверной схемы заземления электростатического экрана

В общем случае рекомендуется гибридное заземление (Рис. 15) – наиболее популярный способ заземления при передаче широкополосного сигнала от отдалённого источника с большим сопротивлением. В этой схеме ёмкость CHF способствует ослаблению высокочастотной составляющей электромагнитной помехи. Таким образом, ток низкой частоты, вызывающий индуктивную наводку, имеет небольшое значение, а заземление высокочастотных электромагнитных наводок осуществляется через ёмкость CHF.

Рис. 15. Пример правильной схемы заземления экрана при использовании отдалённого источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением

Экран для надёжной защиты от паразитных индуктивных связей изготовить намного сложнее, чем классический электростатический экран. Для этой цели требуется специальный материал с повышенной магнитной проницаемостью и значительной толщиной, заметно превосходящей параметры электростатических экранов. В частотном диапазоне менее 100 кГц можно применять экраны из стали или пермаллоя. При более высоких частотах лучше всего подойдут медные или алюминиевые экраны.

Экранирование магнитной составляющей помехи представляет особую сложность, поэтому повышенное внимание необходимо уделить снижению до приемлемой величины индуктивности сигнального провода и правильному выбору оптимальной схемы подключения приемника и передатчика сигнала.

Рис. 16. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 15 мкВ.

Рис. 17. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 61 мкВ.

Рис. 18. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 78 мкВ.

Рис. 19. Схема подключения усилителя и экрана, обеспечивающая среднеквадратичную амплитуду помехи 3 584 мкВ.

Если у источника сигнала отсутствует защитное заземление (характерная ситуация для большинства температурных датчиков), то электростатический защитный экран применяется совместно с усилителем дифференциального типа и резисторами на входе. Заземление экрана выполняется по схеме приведённой на Рис.16.

При экспериментальном сравнении различных вариантов подключения источника сигнала, в качестве которого применялся терморезистор с R= 20 кОм, через экранированную витую пару L = 3,5 м (Рис. 20) были получены следующие результаты.

• Отказ от использования защитного экранирования при использовании дифференциального включения повышает амплитуду помехи в четыре раза (Рис. 17). 
• Применение одиночного подключения вместо дифференциального увеличивает амплитуду помехи в пять раз (Рис. 18).
• Отказ от экранирования при одиночном подключении приводит к тому, что амплитуда помехи возрастает в 230 раз (Рис. 19).

Рис. 20. Вид помехи, возникающей при схеме включения по Рис. 16.

На этих рисунках показаны среднеквадратические величины амплитуды напряжения помех в частотном диапазоне от 0,010 до 5 Гц.

Электромагнитные высокочастотные помехи связаны с работой мощных радиоэлектронных устройств, таких как телерадиопередатчики, сотовые и мобильные радиотелефоны, коллекторные электродвигатели и генераторы, тиристорные преобразователи, электросварочное и другое электротехническое оборудование. Электромагнитные помехи с частотой более 100 кГц лежат вне пределов частотного диапазона измерительных систем, между тем подобные помехи могут быть выпрямлены или смещены в диапазон более низких частот. Данное свойство связано с нелинейными характеристиками транзисторов и диодов, находящихся внутри микросхем или находящихся на измерительных платах.

В современных особо чувствительных системах могут возникать паразитные напряжения связанные с проявлением:

• Термоэлектрического эффекта при контакте разнородных металлов,
• Трибоэлектрического эффекта при трении диэлектриков между собой.
• Пьезоэлектрического эффекта при изменении давления.
• Эффекта электростатического (электромагнитного) микрофона.

Подобные источники помех встречаются редко, о них часто забывают и поэтому они также представляют определенную опасность.

Практическое решение проблем электромагнитных помех

Для практического решения проблем с электромагнитными помехами необходимо определить источник помех. Вначале следует произвести измерение уровня помех отдельно в каждом элементе: в приёмнике сигнала, в источнике сигнала и в кабеле, связывающем приёмник с источником. Для корректной проверки приемника используется провод минимально допустимой длины: при помощи провода соединяют вход приёмника и заземляющее устройство. Все входы многоканальной системы должны быть заземлены. На выходе получим собственные шумы, генерируемые приемником сигнала.

Цель проверки – убедиться в соответствии уровня шумов значениям, указанным в спецификации на изделие. Возможная причина повышенного уровня шумов связана с источником помех, оказывающих влияние на фунционирование платы измерительного устройства или некорректное подключение питающих и заземляющих проводов. Измерение уровня помех, возникающих в кабеле, выполняется по следующей схеме. Кабель подключается к системе сбора данных, закорачивается со стороны источника сигнала (так обеспечивается нулевое внутреннее сопротивление источника сигнала).

Причина значительных различий в уровне помех может быть связана с недостаточно низким сопротивлением источника сигнала. Чтобы уменьшить сопротивление следует применять подходящий согласующий усилитель или подобрать другой способ передачи сигнала, отличающийся повышенной устойчивостью к помехам. Измерение степени помех источника сигнала выполняется при помощи проводника небольшой длины, который соединяет источник сигнала с входом приёмника. Для установления источника помех применяется спектральный анализ помехи.

Для обеспечения повышенной точности передачи сигнала, следует для передачи каждого сигнала использовать собственную экранированную пару. При изготовлении витой пары промышленного применения особое внимание уделяется обеспечению симметрии импедансов проводов в витой паре и равномерность АЧХ в полосе рабочих частот. Достижение равномерности амплитудно-частотной характеристики позволяет компенсировать асимметрию линий и снизить влияние паразитных наводок. При защите кабеля от паразитных электромагнитных наводок следует обеспечить минимально допустимый шаг скрутки проводов в витой паре и наименьшую площадь петель, возникающих при подключении проводника к источнику и приёмнику сигнала.

Если к точности передачи сигнала предъявляются невысокие требования, тогда можно применять в общем экране сигнальные провода с витой парой или обычные, не витые провода. Но при этом следует учитывать, что в кабеле могут возникнуть помехи от ёмкостного, индуктивного или кондуктивного взаимовлияния проводников. В отдельных случаях, когда полоса частот сигнала меньше частотного диапазона приёмника или при заранее известных параметрах сигнала, можно уменьшать помехи за счет установки на входе системы аналоговых фильтров.

Помехи с частотой 50 (60) Гц ослабляются фильтрами третьего порядка, которые имеют наклон амплитудно-частотной характеристики в полосе заграждения – 60 дБ на декаду. При измерениях на частотах вблизи граничных значений частот фильтра, необходимо учитывать неизбежные погрешности коэффициента передачи фильтра, возникающие в полосе пропускания. Дальнейшее уменьшение уровня помех возможно за счет применения цифровой фильтрации. Однако возможности цифровой фильтрации ограничены мощностью и быстродействием системы по сбору информации, разрядностью используемого аналого-цифрового преобразователя и временем для проведения измерения. Поэтому цифровая фильтрация в настоящее время не может полностью заменить аналоговые фильтры.

Проблема защиты промышленных систем автоматизации от воздействия паразитных помех заслуживает особого внимания. Выбор ошибочной схемы подключения источника сигнала, некорректная разводка кабелей, недочёты в системе заземления и экранирования могут сказаться на работоспособности электронных компонентов даже особо надёжной и очень дорогой системы. Но если понять причины возникновения помех и выбрать правильную методику защиты автоматизированных систем, то можно достигнуть приемлемых результатов при использовании стандартного оборудования по доступной цене.