MĚŘICÍŘETĚZEC A ELEKTROMAGNETICKÉ RUŠENÍ

Transkript

1 MĚŘICÍŘETĚZEC A ELEKTROMAGNETICKÉ RUŠENÍ 4.1. Princip a rozdělení elektromagnetického rušení 4.2. Vazební mechanizmy přenosu rušení 4.3. Ochrana před elektromagnetickým rušením 4.4. Optimalizace zapojení děleného řetězce z hlediska omezní rušení

2 4.1. PRINCIP A ROZDĚLENÍ ELEKTROMAGNETICKÉHO RUŠENÍ snímač převod na el. napětí úprava velikosti a filtr analogově číslicový převodník A/D zobrazení záznam Elektromagnetické rušení Elektromagnetické rušení: signál generovaný zdrojem rušení se přenáší prostřednictvím galvanické nebo elektromagnetické vazby do měřicího řetězce způsobí zkreslení (šum) na měřeném signálu

3 4.1. PRINCIP A ROZDĚLENÍ ELEKTROMAGNETICKÉHO RUŠENÍ Podle zdroje Přirozené: bouřkováčinnost, sluneční aktivita Umělé: zdroje vzniklé lidskou činností funkční produkce signálu je smyslem jejich existence, ale pro jiná zařízení je jejich signál rušivý vysílače, radiolokátory parazitní rušivý signál vytváří jako vedlejší produkt svéčinnosti motory, frekvenční měniče, spínané zdroje, stykače Podle charakteru signálu Spojité: motory, vysílače Impulzní: Podle frekvence Úzkopásmové: Širokopásmové: sepnutí stykačů síťový kmitočet 50Hz frekvenční měniče, vysílače

4 4.2. VAZEBNÍ MECHANISMY PŘENOSU RUŠENÍ Experimentální metody přednáška 4 od zdroje rušení se signál šíří elektrickou rozvodnou sítí (galvanická vazba) elektromagnetickým vlněním elektrická síť galvanická vazba elektromagnetická vazba

5 GALVANICKÁ VAZBA Experimentální metody přednáška 4 rušení se od zdrojů šíří elektrickou sítí a z ní pronikne do měřicího řetězce přes měřicí řetězec elektrická síť při děleném řetězci s více napájecími zdroji nebo více uzemňovacími body může dále vzniknout zemní smyčka elektrická síť A/D převodník

6 ELEKTROMAGNETICKÁ VAZBA Experimentální metody přednáška 4 1) rušení se šíří kapacitní nebo induktivní vazbou mezi paralelně vedenými vodiči 2) rušení se šíří vyzařovaným elektromagnetickým polem (v podstatě je to opět indukční vazba) každé dva paralelní vodiče mají mezi sebou kapacitní a induktivní vazbu elektrická síť snímač

7 ELEKTROMAGNETICKÁ VAZBA každý vodič tvoří anténu Experimentální metody přednáška 4 anténa anténa snímač elektrická síť

8 4.3. OCHRANA PROTI ELEKTROMAGNETICKÉMU RUŠENÍ ochrana proti přenosu rušení přes ochrana proti přenosu rušení zemní smyčkou ochrana proti přenosu kapacitní a indukční vazbou ochrana proti rušení elektromagnetickým polem

9 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ PŘES NAPÁJECÍ ZDROJ mezi a měřicířetězec se vloží odrušovacíčlen odrušovací člen měřicí řetězec odrušovacíčlen zabraňuje průniku rušení do měřicího řetězce tvoří ho pasivní součástky kondenzátory, cívky feritové kroužky na kabelu často je přímo vestavěn v napájecím zdroji

10 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ PŘES NAPÁJECÍ ZDROJ napájení je stejnosměrné napětí, rušení má charakter střídavého signálu princip odrušovacího členu spočívá v propuštění pouze stejnosměrné složky a zablokování střídavé složky kondenzátor malá impedance pro střídavý a velká pro stejnosměrný signál indukčnost malá impedance pro stejnosměrný a velká pro střídavý signál napájecí zdroj měřicí řetězec elektrická síť indukčnost = velký odpor pro rušení malý odpor pro napájení tj. nepropustí rušení, propustí napájení kondenzátor = malý odpor pro rušení nekonečný odpor pro napájení tj. zkratuje rušení, neovlivní napájení protože impedance indukčnosti i kondenzátoru závisí na frekvenci a rušení většinou obsahuje široké spektrum frekvencí, není reálný výsledek dokonalý

11 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ ZEMNÍ SMYČKOU A sítí protéká el. proud B elektrická síť fáze nulák zem U A U A U B (U AB = R*I) U B snímač I ZS U OUT U MER + A/D převodník + zobrazení ve starších sítích tvořeny jediným vodičem měřicí zemí protéká el. proud U ZS = R*I ZS U MER = U OUT + U ZS U ZS je navíc velmi proměnlivé v čase závisí na poměrech v el síti!!!

12 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ ZEMNÍ SMYČKOU zrušit více napájecích napájecích míst a celý řetězec napájet z jednoho místa výhoda - jednoduchost nevýhoda - další propojovací vodiče navíc - při delších vodičích může docházet k úbytku napětí skutečné napájecí napětí prvku je nižší než u zdroje při nutnosti použití více napájecích zdrojů zabránit (odpojit) uzemnění na všech zdrojích kromě jednoho výhoda - nevyžaduje žádné další prostředky nevýhoda -často obtížně proveditelné nebo v rozporu s bezpečnostními předpisy při nutnosti použití více napájecích zdrojů zabránit použít v děleném měřicím řetězci galvanické oddělení jednotlivých částí výhoda - optimální z hlediska propojovacích vodičů a bez zásahů do uzemnění nevýhoda - finančně náročnějšířešení - může dojít k omezení frekvenčního pásma

13 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ ZEMNÍ SMYČKOU Napájení z jednoho místa - jednoho zdroje elektrická síť fáze nulák zem napájení zpětná vazba kontrola napájení zem napájení vodiče navíc snímač měřený signál signálová zem + A/D převodník + zobrazení výhoda - jednoduchost nevýhoda - další propojovací vodiče navíc - při delších vodičích může docházet k úbytku napětí skutečné napájecí napětí prvku je nižší než u zdroje - u přesných aplikací nutné zavést zpětnou vazbu pro kontrolu napájení

14 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ ZEMNÍ SMYČKOU Napájení z více míst - více zdrojů Pokud musí být zdrojů více, je bezpodmínečně nutné vyvarovat se spojení měřicí země se zemí elektrické sítě ve více bodech!!!!!!!!!!! elektrická síť fáze nulák zem přerušení uzemnění u dalších zdrojů snímač měřený signál signálová zem + A/D převodník + zobrazení u jednoho zdroje zůstane signálová zem uzemněna výhoda - nevyžaduje žádné další prostředky nevýhoda -často obtížně proveditelné nebo v rozporu s bezpečnostními předpisy

15 OCHRANA PROTI PŘENOSU RUŠENÍ ZEMNÍ SMYČKOU Galvanické oddělení jednotlivých částířetězce při napájení z více míst mezi prvky řetězce se zařadí speciálníčlen galvanický oddělovač přeruší galvanické spojení v signálové cestě signál se přenáší opticky nebo elektomagnetickou cestou často bývá součástí vstupních obvodů e elektrická síť fáze nulák zem snímač přerušení vodičů signálu i signálové země měřený signál signálová zem galvanické oddělení + A/D převodník + zobrazení výhoda - optimální z hlediska propojovacích vodičů a bez zásahů do uzemnění nevýhoda - finančně náročnějšířešení - může dojít k omezení frekvenčního pásma

16 OCHRANA PŘED RUŠENÍM KAPACITNÍ A INDUKČNÍ VAZBOU kapacita kondenzátoru vzájemná indukčnost je nepřímo úměrná vzdálenosti snímač Prostorově oddělit silovou a měřicí kabeláž!!!

17 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM snímač prvky děleného řetězce jsou propojeny vždy minimálně dvěma vodiči paralelně vedené vodiče spolu se výstupními a vstupními obvody tvoří smyčku = ideální anténa silný příjem rušení Možná ochrana: 1) zrušit smyčku tvořenou vodiči = koaxiální kabel nebo kroucený pár 2) zamezit přístupu elmag. pole k vodičům = stínění

18 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM koaxiální kabel dva soustředné vodiče oddělené izolantem netvoří smyčku A - Plášť B - Vodivé opletení C - Dielektrikum D - Vnitřní vodič snímač výhoda - velká odolnost proti rušení nevýhoda - poměrně drahý - ze své podstaty je dvoužilový, tj. při více signálech je pro každý signál nutný samostatný kabel - geometrie kabelu ovlivňuje jeho vlastnosti (útlum, impedanci) hlavně na vyšších frekvencích signálu

19 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM kroucený pár série malých smyček vzájemně otočených o 180 rušení, které se v jedné smyčce přičte, se v následující odečte snímač v současnosti hodně používanéřešení výhoda - levný - více párů v jednom kabelu nevýhoda - menší odolnost proti rušení než koaxiální kabel (vzhledem k nehomogennímu elektromagnetickému poli rušení neplatí stoprocentně co se přičte se odečte )

20 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM stínění princip Faradayovy klece potřeba odvádět indukované napětí ze stínění nutnost stínění uzemnit FARADAYOVA KLEC Její princip je založen na tom, že elektrický náboj je soustředěn pouze na povrchu vodiče, nikoli v jeho objemu. snímač

21 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM elektrická síť fáze nulák zem Mezi stíněnním a vnitřními vodiči je kapacitní a indukční vazba A/D převodník + zobrazení POZOR na uzavření zemní smyčky přes stínění!!! Stíněním protéká proud zemní smyčky a indukční a kapacitní vazbou se přenáší rušení do vnitřních vodičů. Je bezpodmínečně nutné stínění uzemnit jen v jednom bodě!!!!

22 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM fáze nulák zem A/D převodník + zobrazení Snímač el.vodivý povrch testovaný předmět el. vodivý povrch záludná zemní smyčka stíněný kabel správně uzemněný v jednom bodě kovový plášť snímače spojený se stíněním kabelu vodivé spojení snímače s kovovým předmětem testovaný předmět upevněn na testovacím zařízení to býva zpravidla uzemněno

23 OCHRANA PŘED RUŠENÍM ELEKTROMAGNETICKÝM POLEM fáze nulák zem Napájecí zdroj galv.oddělený Napájecí zdroj galv.oddělený A/D převodník + zobrazení Snímač el.vodivý povrch testovaný předmět el. vodivý povrch správné provedení: signálová zem zem uzemněná jen na jedné straně stínění uzemněno jen na jedné a navíc shodné straně u snímače stínění kabelu nespojeno na jeho vodivý povrch velmi vhodné je kombinovat kroucený pár a stínění

24 4.3. OPTIMALIZACE ZAPOJENÍ DĚLENÉHO ŘETĚZCE Z HLEDISKA OMEZENÍ RUŠENÍ místo měření snímač rozsah 100mV Signál: I=U/R 100mV/100kΩ I = 1µA rušení naindukuje střídavý proud s ampl. 0,5µA vstupní odpor 100kΩ zes. 100x místo zobrazení A/D převodník vstup rozsah 10V zobrazení záznam 100 mv 100 mv U šum = R*I šum = 100kΩ*0,5µA = 50mV tj. ±50% úrovně signálu samostaný snímač nejhorší odolnost proti rušení nelze použít na velké vzdálenosti prakticky nepoužitelné v průmyslovém prostředí pro vzdálenost větší než jednotky metrů

25 4.3. OPTIMALIZACE ZAPOJENÍ DĚLENÉHO ŘETĚZCE Z HLEDISKA OMEZENÍ RUŠENÍ Snímač místo měření rozsah 100mV Zesilovač zes. 100x výstup 10V Signál: I=U/R 10V/100kΩ I = 0,1mA rušení naindukuje střídavý proud s ampl. 0,5µA místo zobrazení A/D převodník vstupní odpor 100kΩ vstupní rozsah 10V zobrazení záznam 10V 10V snímač + s napěťovým výstupem dobrá odolnost proti rušení lze použít na velké vzdálenosti (stovky metrů až jednotky kilometrů) použitelné v průmyslovém prostředí U šum = R*I šum = 100kΩ*0,5µA = 50mV tj. ±0,5% úrovně signálu (100x lepší)

26 4.3. OPTIMALIZACE ZAPOJENÍ DĚLENÉHO ŘETĚZCE Z HLEDISKA OMEZENÍ RUŠENÍ snímač místo měření rozsah 100mV a proudový převodník výstup 20mA I = 20mA rušení naindukuje střídavý proud s ampl. 0,5µA místo zobrazení A/D převodník vstupní odpor 500Ω vstupní rozsah 10V zobrazení záznam Vstup odpor R=U/I tj. 10V/20mA R = 500Ω 20mA 10V Standardní proudový výstup: 0-20 ma, 4-20mA U šum = R*I šum = 500Ω*0,5µA = 0,25mV tj. ±0,0025% úrovně signálu (20000x lepší) snímač + s proudovým výstupem velká odolnost proti rušení lze použít na velké vzdálenosti (stovky metrů až jednotky kilometrů) standard v průmyslovém prostředí

27 4.3. OPTIMALIZACE ZAPOJENÍ DĚLENÉHO ŘETĚZCE Z HLEDISKA OMEZENÍ RUŠENÍ

28 4.3. OPTIMALIZACE ZAPOJENÍ DĚLENÉHO ŘETĚZCE Z HLEDISKA OMEZENÍ RUŠENÍ místo měření místo zobrazení Snímač A/D Zesilovač kodér dekodér převodník zobrazení záznam 100% přenos 100% ztráta Řetězec dělený v číslicovéčásti informace se přenáší pomocí dvou úrovní pokud velikost rušení nepřekročí přes rozlišovací úroveň, nemá vliv na přenášenou informaci, v opačném případě pak ale dojde k totální ztrátě informace lze použít na neomezenou vzdálenost