Способы уменьшения влияния помех переход

Основные способы защиты от помех

Для оценки эффективности защиты от помех далее используется коэффи­циент ослабления помех 20 log u_п.вх/u_п.вых, дБ.

К общим мерам уменьшения влияния помех следует отнести использование вида модуляции сигналов, обеспечивающего нужную помехоустойчивость, и повышение уровня полезного сигнала. Рациональный выбор вида модуляции сигналов может быть сделан, если известен характер помех. При таком выборе должен быть использован соответствующий материал.

Для повышения уровня полезного сигнала используется переход к импульсной модуляции. Предполагается, что при переходе от AM- к АИМ – сигналу удается сокращением длительности импульса повысить его амплитуду. Предел такому повышению сигнала ставят тепловые, временные ограничения, а в не­которых случаях электрическая прочность элементов измерительной цепи. При использовании импульсного питания измерительных цепей с тензорезисторами, закрепленными на поверхности металлической детали с достаточной теплоем­костью, удается повысить полезный сигнал более чем на порядок и ослабить влияние помех до 20 дБ. Нужно отметить, что длительность импульса, постоян­ные времени измерительной и тепловой цепей должны быть такими, чтобы за время измерения тепловой режим изменился незначительно.

Один из видов борьбы с помехами – это заземление. Виды заземлений представлены на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Различные схемы заземления ИИС

Для уменьшения влияния продольных помех используется ряд мер. Одна из них – гальваническое разделение частей цепи, в которых имеются места за­земления. Гальваническое разделение производится преимущественно с помощью трансформаторов, разделительных конденсаторов и оптронов. Принцип их действия приведен на рис. 6.3. Ключи могут быть как контактными, так и бесконтактными. Гальваническое разделение измерительных цепей с помощью оптронов наиболее эффективный метод устранения помех.

Рис. 6.3. Варианты схем гальванической развязки: а) оптронная (оптическая) развязка; б) трансформаторная (электромагнитная) развязка

На рис. 6.4 представлена схема для уменьшения продольных помех с разделительным (рис 6.24,а) и компенсирующим трансформаторами.

Рис. 6.4. Измерительные схемы для уменьшения продольных помех с разделительными (а) и компенсирующим трансформаторами (б)

Э₁, Э₂ – экраны; r_и, r_л – сопротивления генераторного датчика и проводов; Е_пд – ЭДС продольной помехи; L₁,L₂,L₃ – обмотки компенсирующего трансформатора

Наконец, используются мостовые цепи, сбалансированные по напряжению продольной помехи, и компенсирующие трансформаторы.

На рис. 6.4,б представлен трехобмоточный (L₁,L₂,L₃) трансформатор, в обмотках L₁ и L₂ которого наводятся напряжения, компенсирующие влияние помехи Е_ПД.

Имеются трансформаторы (фирма Philips), у которых индуктивность обмо­ток равна 400 Гн, а активное сопротивление – 240 Ом; в такой схеме происхо­дит уменьшение продольной помехи 50 Гц примерно в 500 раз.

На рис. 6.5 приведена измерительная схема для уменьшения продольной и поперечной помех с помощью компенсирующего трансформатора и разделительного конденсатора.

Рис. 6.5. Измерительные схемы для уменьшения продольных и поперечных помех: ТП – термопара; КТ – компенсирующий трансформатор; С – разделительный конденсатор

Другая мера – симметрирование входной измерительной цепи (рис. 6.6). Напряжение от продольной помехи Еад, на входе АВ: при стремится к нулю. Если соединить точку между R_ВХ1 и R_BX2 с землей через высокоомное сопротивление Ro, то можно добиться дополнительного уменьшения u_(пд)ав.

Рис. 6.6. Симметрирование входной цепи

Защита измерительных цепей от внешних наведенных (поперечных) помех достигается рядом мер, к числу которых относятся уменьшение длины прово­дов за счет приближения к датчикам аналого-цифровых измерительных устройств, а также сближение и скрутка проводов, идущих к датчикам. При скрутке проводов ЭДС, наводимые в отдельных элементарных контурах, вычитаются, и благодаря этому удается уменьшить влияние поперечных помех на измерительные провода на несколько порядков.

Применяют также магнитное и электростатическое экранирование входных цепей от низкочастотных и высокочастотных магнитных полей. Экраны должны иметь замкнутую поверхность, охватывающую измерительную цепь и отдельно источники переменного тока. Части систем с разными потенциалами или имею­щие гальванические развязки должны иметь свои экраны. Экранировка прово­дов может ослабить наведенные помехи 50 Гц до 30 дБ.

Компенсировать наведенные помехи можно путем организации специальных контуров. Типичные решения при этом связаны с трехпроводными схемами под­ключения датчиков, применением компенсирующего трансформатора и др. При использовании параметрических датчиков можно изменять полярность питания измерительной цепи и брать среднее из суммы и разности полезного сигнала u_c и помехи .

При синусоидальной наведенной помехе возможно выполнение измерений в моменты, когда помеха принимает допустимо малый размер. При таком мето­де удается получить значительное ослабление помехи.

Для уменьшения внутренних помех целесообразно провода питания про­кладывать и экранировать отдельно от измерительных проводов с низким уров­нем полезного сигнала, коммутация сигналов высокого и низкого уровней долж­на проводиться отдельными коммутаторами. В необходимых случаях следует использовать специальные средства защиты от перерывов питания.

Должны быть продуманы места заземления измерительных цепей. Неко­торые из таких мест определяются правилами электробезопасности или техно­логическими приемами монтажа элементов измерительной цепи (например, при­соединением спая термопар к металлической поверхности). Некоторые точки заземления могут появиться в процессе измерительного эксперимента, напри­мер, из-за нарушения сопротивления изоляции, что может привести к органи­зации контуров, вызывающих дополнительные погрешности. Такие контуры об­разуются, если заземлять экраны в нескольких точках. При проектировании системы рекомендуется составить и проанализировать схему заземления, а при наладке — уточнить ее. Дальнейшее повышение помехоустойчивости может быть достигнуто обра­боткой суммы сигнала с помехой, имеющей случайный характер, в аналоговом или цифровом виде. Наиболее часто встречающиеся здесь виды обработки — это фильтрация и накопление сигналов, в течение которого происходит усред­нение.

В интегрирующих аналогово-цифровых преобразователях ослабление влия­ния помех может достигать 100 дБ. Индивидуальные фильтры, как правило, просты (обычно однозвенные RС — фильтры). Их частотная характеристика выбирается, исходя из спектральных характеристик сигналов и помехи. Удобные номограммы для расчета RC-филътров можно найти в литературе. Ослабление сигнала и внесение запаздывания — наибольшие недостатки фильтрации. На практике при фильтрации и избира­тельном усилении удается ослабить помехи на 40 дБ, а при методе накопле­ния — на 120 дБ.

При проектировании аналоговых измерительных цепей выбирается такой комплекс средств защиты, при котором действие помехи не превышает заданно­го уровня.

Вопросы для самопроверки.

1. Назовите способы повышения точности измерений.

2. Классифицируйте методы уменьшения погрешностей измерений.

3. На какие группы делятся помехи по характеру их проявления?

4. Что понимается под помехоустойчивостью ИИС?

5. Какие виды помех Вам известны?

6. Причины возникновения внутренних помех.

7. Отчего возникают внешние помехи?

8. Приведите пример, показывающий возможный уровень помех от промышленного агрегата.

9. Расскажите об импульсных, флуктуационных и регулярных помехах.

10. Каковы основные способы защиты от помех?

11. Какие виды заземлений вам известны? Их обозначения.

12. Как влияет вид модуляции на повышение уровня полезного сигнала?

13. Что такое гальваническая развязка? Какие виды гальванической развязки Вам известны?

14. Расскажите об электрических схемах для уменьшения продольных помех.

15. Расскажите о схемах для уменьшения продольных и поперечных помех.

Источник

3 Способы уменьшения влияния внешних помех

Норма на относительный уровень помех в СЛ весьма жестка. Для различных видов она составляет от -63 до -85 дБ. Для того чтобы выполнить ее, приходится прибегать к различным конструктивным и схемным мерам: уравновешивать (симметрировать) и экранировать вещательную цепь, применять частотные предыскажения, включать промежуточные усилители.

Помехи из других цепей переносятся в СЛ ввиду электромагнитной (индуктивной) и электростатической (емкостной) связи. При значительном расстоянии между цепями (воздушная линия) преобладает электромагнитная связь, при небольшом (кабельная линия)—электростатическая. Рассмотрим случай электростатической связи. Для упрощения задачи примем, что на двухпроводную цепь 1-2 влияет однопроводная цепь 3-0 (рис. 3.1).

Величины потенциалов помехи U‘п и , U«п на проводах 1 и 2 зависят от соотношения емкостей и,и(или от соотношения емкостных сопротивлений). Для уменьшения этих потенциалов необходимо, чтобы коэффициенты передачи емкостных делите­лейибыли меньше. Однако возможности этого способа снижения помех ограничены, так как для уменьшения связи необходимо уменьшать емкостиии увеличиватьи. Первое приводит к увеличению сечения кабеля, второе к возрастанию затухания на высших частотах. И то, и другое невыгодно экономически.

Существует другой путь — уравнять потенциалы помехи U‘п и U«п. Для этого необходимо, чтобы коэффициенты передачи делителей ибыли равны. В частном случае это достигается прии. Поскольку фазы обоих потенциалов помехи одинаковы, то разность потенциалов помехи между проводами равна нулю и ток помехи в цепи не циркулирует. Этот способ подавления помех называютсимметрированием цепи. Кабельные цепи симметрируют, скручивая обе жилы цепи в пару. Шаг скрутки, т. е. расстояние, через которое жилы, совершив полный цикл, займут перво­начальное положение, имеет величину порядка 10—30 см. Обе жилы цепи занимают последовательно различные положения относительно других жил кабеля. Поэтому их емкости по отношению к остальным жилам по длине кабеля усредняются и оказываются равными.

Воздушную цепь симметрируют, скрещивая провода, т. е. меняя через равные промежутки их положение по отношению к соседним цепям .

Рис 3.2 Симметрирование воздушной цепи

При высокочастотной помехе вдоль линии укладывается значительная часть длины волны помехи или даже несколько длин волн. В проводах линии возникают продольные ЭДС помехи, и задача сводится к тому, чтобы уменьшить и уравнять их. Фазы про­дольных ЭДС помехи в обоих проводах одинаковы.

Рис 3.3 Возникновение продольных ЭДС помех

При равенстве амплитуд ЭДС токи, вызванные ими, направлены навстречу и взаимно компенсируются. В зависимости от соотношения расстояния, через которое провода цепи меняются местами, и длины волны помехи асимметрия может и уменьшаться и увеличиваться. Так, если это расстояние равно /4, скрещивание приведет к увеличению помехи если оно равно /8, то уровень помехи не изменится. Положительный эффект от скрещивания получается лишь в том случае, если оно сделано чаще, чем через /8.

В особо ответственных случаях, например, для связи РД с передающим РЦ, в качестве СЛ используют экранированные пары. Так как расстояние между проводами цепей в кабеле невелико, преобладает электростатическое влияние. Его практически полностью устраняют, обвивая экранируемую пару лентой алюминиевой, оловянной, медной фольги или металлизированной бумаги (рис 3.4). Электромагнитное влияние остается. Для его уменьшения жилы каждой пары свивают с различным шагом. Рассмотренные меры устраняют влияние вещательных цепей друг на друга и смежных телефонных цепей на вещательные цепи.

Для уменьшения влияния помех используют частотные предыскажения. Пусть имеется СЛ, на которую действует помеха . Будем считать, что амплитудно-частотные искажения СЛ полностью скомпенсированы. Предположим также, что энергия помех П сосредоточена преимущественно в области высших звуковых частот (см. график зависимости Sп от f).

Рис. 3.5 Подверженная помехе СЛ

Распределение энергии по спектру звукового вещательного сигнала неодинаково: уровни сигнала на низших и высших частотах ниже, чем на средних. Поэтому в рассматриваемом случае отношение С/П будет наименьшим на высших частотах. Улучшить отношение С/П можно было бы, увеличив уровень сигнала, подаваемого на входСЛ. Но это невозможно, так как максимальный уровень на средних частотах на входе СЛ нормирован. Он равен +17 дБ. Поэтому поднимают уровень сигнала лишь в области высших частот, что разрешается нормами. В спектре вещательного сигнала уровни на высших частотах на 10-20 дБ ниже, чем на средних. На эту же величину, т. е. до уровня на средних частотах. Для этого на входеСЛ включают предыскажающий контур (ПК). Затухание снижается по мере роста частоты. В результате действияПК спектр сигнала исказится и отношение С/П в точке3 возрастет. В конце СЛ включают восстанавливающий контур (ВК), затухание которого возрастает с частотой. Он необходим для того, чтобы восстановить первоначальную форму спектра сигнала, т.е. устранить искусственно введенные амплитудно-частотные искажения. Соотношение между уровнями сигнала и помехи ВК. не изменяет, так как он в равной степени ослабляет и сигнал, и помеху. Однако благодаря форме частотной характеристики затухания ВК уменьшает в паузах передачи помеху лежащую в области высших звуковых частот.

Если энергия помехи сосредоточена в области низших частот, предыскажения состоят в подъеме низкочастотных составляющих спектра вещательного сигнала.

Система предыскажений обеспечивает наибольшее подавление помех в тех случаях, когда энергия помехи сосредоточена в области высших или низших частот, т.е. в тех случаях, когда спектры сигнала и помехи заметно различаются. Если энергия помехи распределена по спектру равномерно, то отношение С/П улучшается не более чем на 4-5 дБ. Если спектры сигнала и помехи одинаковы, применять предыскажения бесполезно.[2]

Источник