3.1. Источники помех
Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев протекают в виде тока по заземляющим проводникам, создавая вокруг них паразитное электромагнитное поле и падение напряжения помехи на проводниках. Источниками и причинами помех может быть молния, статическое электричество, электромагнитное излучение, "шумящее" оборудование, сеть питания 220 В 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, трибоэлектричество, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и др.
Государственные центры стандартизации и сертификации во всех странах мира не допускают к производству оборудование, являющееся источником помех недопустимо высокого уровня. Однако уровень помех невозможно сделать равным нулю. Кроме того, на практике встречается достаточно много источников помех, связанных с неисправностями или применением не сертифицированного оборудования.
В России допустимый уровень помех и устойчивость оборудования к их воздействию нормируются ГОСТ Р 51318.14.1, ГОСТ Р 51318.14.2, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3, ГОСТ Р 51317.4.2, ГОСТ 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.11, ГОСТ Р 51522, ГОСТ Р 50648.
При конструировании электронной аппаратуры для снижения уровня помех используют микромощную элементную базу с невысоким быстродействием, уменьшение длины проводников и экранирование. Особые меры принимаются для снижения помех от радиопередающих устройств беспроводных сетей (подробнее см. раздел "Промышленные сети и интерфейсы".
Паразитные воздействия помех на процесс передачи сигнала в системах промышленной автоматизации можно разделить на следующие группы:
- воздействия через кондуктивные связи;
- влияние неэквипотенциальности "земли";
- наводки через взаимную индуктивность;
- наводки через емкостные связи;
- высокочастотные электромагнитные наводки.
3.1.1. Характеристики помех
Основной характеристикой помехи является зависимость спектральной плотности мощности от частоты. Помехи, воздействующие на системы автоматизации, имеют спектр от постоянного тока до единиц гигагерц (см. рис. 3.1) [Low]. Помехи, лежащие в полосе пропускания аналоговых систем автоматики, имеют частоты до десятков килогерц. На цифровые цепи воздействуют помехи в полосе до сотен мегагерц. Помехи гигагерцевого диапазона непосредственного влияния на системы автоматизации не оказывают, однако после преобразования в нелинейных элементах или вследствие алиасного эффекта (см. главу "Измерительные каналы") они могут порождать низкочастотные помехи, лежащие в границах воспринимаемого спектра.
|
|
|
Рис. 3.1. Относительный уровень спектральной плотности мощности и частота основных источников электромагнитных помех
|
Устройства, в которых происходит переключение уровня тока или напряжения за короткий промежуток времени, являются источниками широкополосных помех (двигатели, выключатели, реле и контакторы, трамвайные токосъемники и т. п.). Устройства, в которых происходит периодическое изменение тока или напряжения с ограниченной скоростью нарастания, дают узкополосные помехи (например, сотовые телефоны, радиопередатчики, генераторы сигналов, микроволновые печи, микропроцессорные системы).
В сигнальных цепях и цепях заземления систем автоматизации содержится весь спектр возможных помех. Однако паразитное влияние оказывают только помехи, частоты которых лежат в полосе пропускания устройств автоматики. Среднеквадратическое значение напряжения или тока помехи  определяется шириной ее спектра:
 , |
(3.1)
|
|
|
|
Рис. 3.2. АЧХ  фильтра, входящего в состав аналоговых модулей RealLab! серии NL
|
где  - спектральная плотность мощности помехи,  ;  и  - нижняя и верхняя границы спектра помехи. В частном случае, когда слабо зависит от частоты, приведенное соотношение упрощается:
 .
Таким образом, для уменьшения влияния помех на системы автоматизации нужно сужать ширину полосы пропускания  аналоговых модулей ввода и вывода. Например, если известно, что постоянная времени датчика  составляет 0,3 сек, что приблизительно соответствует полосе пропускания сигнала  =0,5 Гц, то ограничение полосы пропускания модуля ввода величиной 0,5 Гц позволит уменьшить уровень помехи и тем самым повысить точность измерений, снизить требования к заземлению, экранированию и монтажу системы.
Однако фильтр вносит динамическую погрешность в результаты измерения, которая зависит от формы (спектра) входного сигнала. Динамическая погрешность свойственна всем известным методам ослабления помехи нормального вида, хотя она часто не указывается в характеристиках аналоговых модулей, что может вводить пользователя в заблуждение. Подробнее динамические погрешности рассматриваются в разделе "Измерительные каналы".
Наиболее мощной в системах автоматизации является помеха с частотой питающей сети 50 Гц. Поэтому для ее подавления используют узкополосные фильтры, настроенные точно (с помощью кварца) на частоту 50 Гц. На рис. 3.2 в качестве примера приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цифрового фильтра, использованного в модулях RealLab! серии NL. Фильтр настроен таким образом, что он ослабляет на 120 дБ (на 6 порядков) помеху с частотой 50 Гц.
При еще большей инерционности датчиков или контролируемой системы (например, когда датчик стоит в печи, время выхода на режим которой составляет несколько часов) можно использовать процедуру многократных измерений или дополнительную цифровую фильтрацию в управляющем контроллере или компьютере. В общем случае, чем больше время измерения, тем точнее можно выделить сигнал на фоне шума и тем сильнее ослабить требования к уровню помех.
Следует отметить, что наличие фильтра не всегда спасает от влияния помех. Например, если высокочастотная помеха, перед тем как попасть на вход модуля ввода, детектируется или выпрямляется на нелинейных элементах, то из сигнала помехи выделяется постоянная или низкочастотная составляющая, которая уже не может быть ослаблена фильтром модуля ввода. В качестве нелинейных элементов могут выступать, например, контакты разнородных металлов, защитные диоды, стабилитроны, варисторы.
3.1.2. Помехи из сети электроснабжения
|
|
|
|
|
а)
|
б) |
в) |
|
Рис. 3.3. Виды помех, проникающих из сети питания: а) - от вспышки молнии; б) - при переключении индуктивной нагрузки; в) - помехи от радиостанций
|
Питающая сеть 220/380 В с частотой 50 Гц и подключенные к ней блоки питания являются источниками следующих помех:
- фон с частотой 50 Гц;
- выбросы напряжения от вспышки молнии (рис. 3.3, а);
- кратковременные затухающие колебания при переключении индуктивной нагрузки (рис. 3.3, б);
- высокочастотный шум, наложенный на синусоиду 50 Гц (рис. 3.3, в);
- инфранизкочастотный шум, проявляющийся как нестабильность во времени величины среднеквадратического значения сетевого напряжения (рис. 3.4);
- долговременные искажения формы синусоиды и гармоники при насыщении сердечника трансформатора и по другим причинам.
Наибольшее влияние на системы промышленной автоматики оказывают первые три вида помех (рис. 3.3). Для уменьшения кратковременных выбросов напряжения используют специальные защитные диоды и варисторы. Инфранизкочастотный шум и искажения синусоиды отфильтровываются стабилизатором и сглаживающим фильтром сетевого источника питания и практически не проходят сквозь паразитные емкости сетевого трансформатора.
|
|
|
Рис. 3.4. Изменения действующего значения сетевого напряжения в течение суток (измерено 12.11.2005 г. с помощью модуля NL-8AI в Reallab!)
|
Причинами и источниками сетевых помех могут быть разряды молнии при попадании в линию электропередачи, включение или выключение электроприборов, тиристорные регуляторы мощности, реле, электромагнитные клапаны, электродвигатели, электросварочное оборудование и др.
Путь проникновения сетевой помехи показан на рис. 3.5. Силовой или развязывающий трансформатор включен в сеть 220 В, 50 Гц. Сеть представлена эквивалентным источником напряжения  и эквивалентным источником помех  . Нулевой провод источника сетевого напряжения заземлен на главном щите у ввода в здание. Если выход источника питания тоже заземлен, что часто необходимо для целей электробезопасности, то возникает путь протекания тока помехи, показанный на рис. 3.5, включающий сопротивление заземляющего проводника  . Основным звеном в этой цепи является паразитная емкость между обмотками силового трансформатора  , для уменьшения влияния которой часто используют заземленный электростатический экран (рис. 3.6). Ток помехи протекает по общему проводу источника питания и заземляющему проводнику (рис. 3.5), создавая на их сопротивлении падение напряжения помехи, о котором речь пойдет в следующих разделах (на рис. 3.5 эти участки цепи выделены жирной линией). Ток источника помехи может замыкаться не на трансфораторной подстанции, а через внутреннее сопротивление других электроприборов, подключенных к электрической сети, а также через емкость кабеля. Таким образом, на шине заземления падает паразитное напряжение помехи, делая ее "грязной", и часть напряжения помехи попадает на выход источника питания через участок провода, выделенный жирной линией на рис. 3.5.
Наиболее значительной помехой, проникающей в шину заземления из сети 220 В 50 Гц, является емкостной ток, протекающий через емкость между обмоткой двигателя и его корпусом; ток между сетевой обмоткой трансформатора и сердечником, ток через конденсаторы сетевых фильтров.
 |
|
Рис. 3.5. Пути проникновения помехи их сети 220 В, 50 Гц в систему заземления и общий провод источника питания
|
Путь тока помехи через емкость между первичной обмоткой трансформатора и его заземленным сердечником  показан на рис. 3.5. Этот ток также протекает через общий провод источника питания и заземляющий проводник. Именно эта емкость является причиной того, что незаземленные электроприборы "бьют током". При отсутствии заземления потенциал металлического корпуса приборов, подключенных к сети 220В, составляет от нескольких десятков до 220В в зависимости от сопротивления утечки на землю. Для уменьшения этого напряжения корпуса приборов, включенных в сеть 220 В, должны быть заземлены.
При использовании DC-DC (Direct Current-Direct Current) и AC-DC (Alternating Current-Direct Current) преобразователей напряжения, которые содержат внутренний генератор, к источнику помехи добавляется емкостная и индуктивная наводка от собственного генератора преобразователя. Поэтому уровень помех на общем проводе у DC-DC и AC-DC преобразователей выше, чем в источниках с обычным силовым трансформатором, хотя проходная емкость в преобразователях может быть уменьшена до единиц пикофарад по сравнению с сотнями пикофарад для обычного силового трансформатора.
Для уменьшения проникновения помехи в источниках питания используют раздельное экранирование первичной и вторичной обмотки трансформатора, а также разделение защитной, сигнальной и корпусной (экранной) земли (рис.3.6). На рисунке сплошной жирной линией нарисован металлический корпус прибора; кружочками обозначены клеммные соединители, изолированные от корпуса. Методы соединения различных земель между собой описаны ниже, в разделе "Методы экранирования и заземления".
|
|
|
Рис. 3.6. Источник питания с тремя типами земель. Слева направо: защитная земля, экранная земля и сигнальная. Экран показан штриховой линией
|
3.1.3. Молния и атмосферное электричество
Молнии являются одной из распространенных причин нежелательных перенапряжений, сбоев и отказов в системах автоматизации. Заряд, накапливаемый в облаках, имеет потенциал величиной около нескольких миллионов вольт относительно поверхности Земли и чаще бывает отрицательным. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20 000 ˚С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны [Vijayaraghavan]. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов. При разряде молнии появляется несколько импульсов (рис. 3.64). Крутизна фронта в последующих импульсах гораздо больше, чем в первом (рис. 3.65).
Частота поражения молнией зданий высотой 20 м и размерами в плане 100х100 м составляет 1 раз в 5 лет, а для зданий с размерами порядка 10х10 м - 1 попадание за 50 лет [РД]. Количество прямых ударов молнии в Останкинскую телебашню высотой 540 м составляет 30 ударов в год.
Инструкция [CO] устанавливает 4 уровня надежности защиты зданий и сооружений от молнии. Самый высокий, 1-й уровень защиты, имеет надежность 0,98, самый низкий - 4-й имеет надежность защиты 0,8. При расчете воздействий молнии на объекты используют параметры, указанные в табл. 3.22 [CO]. Крутизна переднего фронта импульса тока молнии нормируется как интервал времени между уровнями тока 30% и 90% от максимального значения.
Форма импульсов тока молнии  описывается выражением [CO]
 , |
(3.2)
|
 |
|
Рис. 3.64. Типовая форма импульса тока при разряде
молнии [Vijayaraghavan]
|
где  - максимум тока;  - корректирующий коэффициент;  - время;  - постоянная времени фронта;  - постоянная времени спада.
Параметры, входящие в эту формулу, приведены в табл. 3.23 [CO]. Они соответствуют наиболее сильным молниевым разрядам, которые встречаются редко (менее чем 5% случаев [Vijayaraghavan]. Токи величиной 200 кА встречаются в 0,7...1% случаев, 20 кА - в 50% случаев [Кузнецов]).
Зависимости первого импульса тока молнии и ее производной от времени, построенные по формуле (3.2), показаны на рис. 3.65. Обратим внимание, что масштабы по времени на графиках различается в 10 раз и что масштаб указан логарифмический. Максимальная скорость нарастания (первая производная) первого импульса составляет 25 кА/мкс, последующих импульсов - 280 кА/мкс.
Скорость нарастания тока используется для расчета величины наведенного импульса в кабелях систем автоматизации.
На рис. 3.66 показана спектральная плотность мощности тока помехи. Поскольку эффективность экранирования электромагнитной помехи существенно зависит от частоты [Барнс], приведенные графики спектральной плотности мощности позволяют обоснованно выбрать толщину и материал электромагнитного экрана.
Для защиты от прямого удара молнии используют молниеотводы, которые состоят из штыря (молниеприемника), находящегося над зданием, заземлителя и соединяющего их проводника. Обычно используют несколько молниеприемников и систему заземлителей [CO, РД]. Система молниеотвода образует низкоимпедансный путь для прохождения тока молнии на землю, минуя структуры здания. Молниеотвод должен находиться как можно дальше от здания, чтобы ослабить эффект взаимной индукции, и в то же время достаточно близко, чтобы защитить здание от прямого попадания молнии. Для зданий с большой площадью крыши молниеотводы устанавливают на крыше и соединяют между собой и с заземлителем стальными полосами. Заземлитель молниеотвода выполняют отдельно от защитного заземления здания, но электрически соединяют с ним с целью выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений [РД].
|
Табл. 3.23. Параметры формулы (3.2)
|
|
Параметр
|
Первый импульс для уровней защиты
|
Последующие импульсы для уровней защиты
|
|
I
|
II
|
III, IV
|
I
|
II
|
III, IV
|
|
, кА
|
200
|
150
|
100
|
50
|
37,5
|
25
|
|
|
0,93
|
0,993
|
|
, мкс
|
19,0
|
0,454
|
|
, мкс
|
485
|
143
|
Ток молнии, проходя по земле, создает на ней падение напряжения, которое может вывести из строя драйверы сетевых интерфейсов, если они не имеют гальванической развязки и расположены в разных зданиях (с разными заземлителями).
|
|
|
|
a)
|
б) |
|
Рис. 3.65. Зависимость тока первого (а) и второго (б) импульса молнии и его производной от времени
|
В линиях электропередачи разряд молнии принимается на экранирующий провод, который отводит молнию в землю через заземлитель. Экранирующий провод протягивают над фазовыми проводами, однако на фазовых проводах наводится импульс э.д.с. вследствие явления электромагнитной индукции. Этот импульс проходит на трансформаторную подстанцию, где ослабляется искровыми разрядниками. Остаточный импульс проходит в потребительскую линию и через силовой трансформатор - в цепи заземления систем автоматизации (рис. 3.5).
На системы автоматизации молнии воздействуют не путем прямого попадания, а через электромагнитный импульс, который вследствие явления электромагнитной индукции может привести к пробою изоляции устройств гальванической развязки и пережечь провода малого поперечного сечения [Zipse], а также вывести из строя микросхемы.
Вторым природным явлением, связанным с грозой, является атмосферное электричество. Электрический потенциал грозового облака во время дождя может составлять десятки миллионов, до 1 млрд. Вольт. Когда напряженность электрического поля между облаком и поверхностью земли достигает 500…1000 В/м, начинается электрический разряд с острых предметов (мачты, трубы, деревья и т. п.). Во время разрядов молнии напряженность поля может резко менять свое направление.
Высокая напряженность поля, вызванная атмосферным электричеством, может наводить потенциалы величиной в несколько тысяч Вольт в "плавающих" цепях с высоким сопротивлением изоляции на землю и приводить к пробою оптронов в модулях гальванической развязки. Для защиты от атмосферного электричества гальванически изолированные цепи, не имеющие низкоомного пути на землю, должны быть помещены в заземленный электростатический экран или соединены с землей через резистор сопротивлением 0,1...1 МОм (см. раздел "Исполнительное оборудование и приводы"). В частности, атмосферное электричество является одной из причин, по которым промышленные сети прокладывают экранированным кабелем. Экран нужно заземлять только в одной точке (см. раздел "Экранирование сигнальных кабелей").
Следует отметить, что молниеотводы, служащие для защиты от прямого удара молнии, не могут существенно уменьшить напряженность электрического поля атмосферных зарядов и никак не защищают аппаратуру от мощного электромагнитного импульса во время грозы.
|
|
|
Рис. 3.66. Спектральная плотность мощности тока молнии
|
|
Табл. 3.22. Параметры тока молнии
|
|
Параметр молнии
|
Уровень защиты
|
|
I
|
II
|
III,IV
|
|
Пиковое значение тока, кА
|
200
|
150
|
100
|
|
Полный заряд, Кл
|
300
|
225
|
150
|
|
Заряд в импульсе, Кл
|
100
|
775
|
50
|
|
Удельная энергия кДж/Ом
|
10000
|
5600
|
2500
|
|
Средняя крутизна кА/мкс
|
200
|
150
|
100
|
3.1.4. Статическое электричество
Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах. Величина заряда зависит от скорости движения трущихся тел, их материала и величины поверхности соприкосновения. Примерами трущихся тел могут быть:
- ременный привод;
- лента конвейера;
- синтетическая одежда и обувь на теле человека;
- поток непроводящих твердых частиц (пыли), газа или воздуха через сопло;
- движение непроводящей жидкости, заполняющей цистерну;
- автомобильные шины, катящиеся по непроводящей дороге;
- резиновые ролики под стульями, когда стулья перемещаются по непроводящему полу.
Человек, идущий по синтетическому ковру, может приобрести на теле потенциал 15 кВ относительно земли и окружающих предметов [Эрглис], рис. 3.67.
Ременный привод, состоящий из диэлектрического ремня и двух шкивов, является наиболее общим примером генератора статического электричества. Потенциал статического заряда на ремне может достигать 60…100 кВ и пробиваемый воздушный промежуток - 9 см. Поэтому на взрывоопасных производствах (элеваторы, мельницы) ремни используют с проводящими присадками или металлизацией.
Для снятия зарядов с ремней и других электризующихся предметов используют заземленный подпружиненный металлический гребешок или щетку, которые касаются движущейся поверхности. ленты электризуются хуже ременного привода вследствие низкой скорости движения.
Вторым способом борьбы со статическим электричеством является применение увлажнителя воздуха в помещении для получения влажности выше 50% (см. рис. 3.67).
Для уменьшения зарядов на теле человека используют заземление запястья работников, электропроводные полы, электропроводную одежду, увлажнение воздуха.
Электростатический заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое при достижении напряженности поля пробоя изоляции вызывает электростатический разряд. Разряд представляет собой импульсный перенос заряда между телами с разными потенциалами. В результате протекания тока разряда по проводникам появляется кондуктивная помеха, во время разряда излучается электромагнитный импульс, а пробой изоляции может привести к потере работоспособности электронных устройств.
 |
|
Рис. 3.67. Максимальное напряжение, до которого может быть заряжен
человек при контакте с указанными материалами (ГОСТ Р 51317.4.2)
|
 |
|
Рис. 3.68. Форма разрядного тока испытательного пистолета (ГОСТ Р 51317.4.2
|
Форма импульса, которым испытываются электронные устройства на устойчивость к электростатическим разрядам, и приближенно соответствующая форме импульса в реальных условиях эксплуатации приборов, приведена на рис. 3.68. Величина перетекающего заряда определяется емкостью заряженного тела. Напряжение при испытаниях устанавливается в зависимости от степени жесткости испытаний от 2 до 8 кВ при контактном разряде и до 15 кВ при воздушном (табл. 3.24). Воздушный разряд более приближен к реальности, но он трудно воспроизводим, поэтому при испытаниях используют также и контактный разряд.
|
Табл. 3.24. Величина испытательного напряжения
|
|
Контактный разряд
|
Воздушный разряд
|
|
Степень жесткости
|
Испытательное напряжение, кВ
|
Степень жесткости
|
Испытательное напряжение, кВ
|
|
1
|
2
|
1
|
2
|
|
2
|
4
|
2
|
4
|
|
3
|
6
|
3
|
8
|
|
4
|
8
|
4
|
15
|
Результатом возникновения статических электрических зарядов может быть пробой входных каскадов измерительных систем, появление линий на CRT (Cathode Ray Tube) мониторах, перевод триггеров в другое состояние, поток ошибок в цифровых системах, пробой изоляции гальванически изолированных цепей, воспламенение взрывоопасной смеси, электромагнитный импульс, кондуктивная помеха от импульса тока, возникающего во время разряда.
Для защиты систем автоматики от сбоев используют электростатические экраны, соединенные с экранным заземлением, преобразователи интерфейсов с защитой от статического электричества (например, преобразователь интерфейсов NL-232C фирмы Reallab! имеет защиту от статических зарядов с потенциалом до ±8 кВ по стандарту IEC1000-4-2).
В параметрах устройств автоматики иногда указывают величину напряжения, которым испытывались входные, выходные и интерфейсные цепи на воздействие электростатического заряда.
3.1.5. Помехи через кондуктивные связи
Кондуктивные связи (от слова "conductor" - "проводник") - это связи через электропроводную среду, например, через общую шину заземления или по влажной поверхности диэлектрика. Их источниками являются соседние электрические цепи (см. раздел "Паразитные кондуктивные связи").
3.1.6. Электромагнитные помехи
Электромагнитные помехи создаются проводниками, по которым течет переменный электрический ток или между которыми имеется переменное напряжение. Помеха может существовать в виде электромагнитной волны, когда расстояние от источника помехи до приемника превышает длину волны  , или в виде преобладающего электрического или магнитного поля около источника. Если расстояние до излучаемого элемента (антенны) превышает  , такое электромагнитное поле называют полем дальней зоны, в противоположном случае - полем ближней зоны.
|
|
|
Рис. 3.69. Наведение электромагнитной помехи через взаимную индуктивность и магнитопровод
|
В ближней зоне моделью передачи помехи является емкостная или индуктивная связь, в дальней зоне - модель распространения радиоволн от передающей к приемной антенне. Излученная мощность прямо пропорциональна квадрату частоты. Поэтому, например, на частоте 50 Гц излучения практически нет и помеха передается через емкостную или индуктивную связь.
Источником электромагнитного поля помехи может быть радиомодем, радио- или сотовый телефон, радиоретранслятор, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящимися щетками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, телевизионные и радиостанции, цифровая часть измерительной системы, реле регулятора, космическое коротковолновое излучение, удар молнии и др.
Источником электромагнитной помехи может быть и сама системы автоматики, содержащая компьютер, реле, тиристоры, мощные выходы дискретных модулей. Сильным источником электромагнитных помех являются оптоволоконные передатчики, поскольку они потребляют большой ток и работают на высоких частотах. Излучаются такие помехи с помощью случайных проводников, образующих дипольную или рамочную антенну. Дипольная антенна является источником преимущественно электрического поля в ее окрестности, рамочная - источником магнитного поля. Вдали от таких источников доминирующего поля нет, есть поперечная электромагнитная волна. Реальные системы образуют множество излучающих антенн, состоящих из проводов, кабелей и различных металлических поверхностей.
Помехи с частотой выше 100 кГц находятся обычно за границей частотного диапазона измерительных систем, однако высокочастотные помехи могут быть нежелательным образом выпрямлены или перенесены в область более низких частот с помощью нелинейных характеристик диодов и транзисторов, расположенных на измерительной плате и внутри микросхем.
Наводятся электромагнитные помехи на всех проводящих предметах, которые в рассматриваемом случае играют роль антенн. Мощность наведенной помехи зависит от площади контура, охваченного проводником и его сопротивления. Помеха, наведенная в "антенне", кондуктивным путем может передаваться в сигнальные цепи или цепи заземления, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.
Наиболее распространенным приемником электромагнитных помех являются длинные провода: цепи заземления, промышленные сети (полевые шины), кабели, соединяющие датчики и модули аналогового ввода, кабели информационных коммуникаций. Подробнее о защите кабелей систем автоматизации от электромагнитных помех см. [Денисенко]. "Замаскированными" приемниками электромагнитных помех являются металлические конструкции в зданиях: металлические стеллажи, окна с металлической рамой, трубы водоснабжения и отопления здания, защитное контурное заземление здания.
|
|
|
Рис. 3.70. Изменение направления магнитного поля через промежуточный короткозамкнутый виток
|
Основным методом борьбы с электромагнитными наводками является уменьшение площади контура, принимающего помеху, и применение дифференциального способа передачи сигнала в сочетании с витыми парами проводов. Однако даже в контуре с маленькой площадью может наводиться большая помеха, если при монтаже допустить ошибку, показную на рис. 3.69: в железной раме стеллажа (стола или другой конструкции), выполняющей роль магнитопровода, от источника тока  наводится магнитное поле помехи  , которое наводит напряжение  во втором витке провода. Два витка и сердечник в этом примере образуют трансформатор с ферромагнитным сердечником.
Второй аналогичный эффект иллюстрируется рис. 3.70: ток взаимной индукции, протекая через короткозамкнутый виток, создает магнитное поле, которое наводит э. д. с.  в соседнем контуре. Отметим, что в данном примере короткозамкнутый виток изменяет направление магнитного поля, поэтому помеха может наводиться и в плоскости, перпендикулярной плоскости контура тока молнии  . Множество короткозамнутых витков существует в металлической решетке железобетонной конструкции здания.
3.1.7. Другие типы помех
В измерительных цепях, находящихся в состоянии движения (вибрации), источником помех может быть трибоэлектричество, возникающее при трении тел из различных материалов, а также пьезоэлектричество и эффект электростатического или электромагнитного микрофона.
Методы борьбы с помехами такого типа сводятся к закреплению и механическому демпфированию движущихся частей электрической схемы.
В системах с очень высокой чувствительностью могут наблюдаться паразитные напряжения, вызванные термоэлектрическим эффектом в контактах разнородных металлов (например, медь и оловянно-свинцовый припой). Эти источники помех опасны тем, что встречаются редко, поэтому о них часто забывают.
|
|
