3 Способи підвищення завадостійкості

ТА БЕЗПЕЧНОСТІ КСУ ТП

3.1 Основні математичні залежності

Підключення датчиків до КСУ чи комп’ютерної вимірювальної системи є дуже непростою справою і часто виявляє несподівані проблеми, причини яких, як правило, сховані від проектувальника: про їхнє місцезнаходження можна тільки догадуватися, їхню появу важко пророчити, а усунути можна тільки в процесі експерименту. Проте ряд типових умов виникнення завад і методів їхнього усунення досить добре вивчений [1].

Розуміння при проектуванні КСУ причин виникнення завад дозволяє уникнути ряду помилок у виборі устаткування, його розміщенні, екрануванні і кабельному розведенні, а також прискорити процес впровадження системи.

Паразитні впливи на процес передачі сигналу можна розділити на наступні групи:

• впливи через кондуктивні зв'язки;

• вплив нееквіпотенціальності «землі»;

• наведення через взаємну індуктивність;

• наведення через ємнісні зв'язки;

• високочастотні електромагнітні наведення.

Як відмічалось вище, джерела сигналу (датчики температури, тиску, ваги, вологості й ін.) можуть бути заземленими (рисунок 3.1, а) чи незаземленими (рисунок 3.1, б).

а) б)

Рисунок 3.1 – Вихідні сигнали заземленого (а) та ізольованого (б) джерел

Прикладами незаземлених (що плавають, ізольованих) джерел сигналу є батарейки, джерела сигналу з батарейним живленням, термопари, ізольовані операційні підсилювачі, п'єзоелектричні датчики. Сигналом у цих випадках є різниця потенціалів між виводами джерела V₁ (рисунок 3.1, б). Потенціал же виводів джерела відносно «землі» V_c є паразитним (синфазна завада) і не повинен впливати на результат вимірів.

У заземленого джерела сигналу один з виводів заземлений і напруга другого виводу виміряється відносно «землі» (див. рис. 5.18, а). Заземлене джерело можна одержати з ізольованого джерела (що плаває), якщо один з його виводів заземлити. Однак зворотну операцію виконати досить складно, оскільки сам принцип побудови датчика чи схеми перетворення вимірюваної фізичної величини в напругу часто не дозволяє зробити це. Тому плаваючі джерела, як правило, конструктивно і схемотехнічно складніше, ніж заземлені.

Датчики сигналу можуть бути не тільки джерелами напруги, але і джерелами струму. Ці джерела струму також можуть бути заземленими чи ізольованими.

Приймач сигналу (наприклад, підсистема збору даних КСУ), як теж визначалось вище, може приймати (вимірювати) сигнал відносно «землі» чи відносно другого входу. У першому випадку приймач сигналів називається приймачем з однофазним (недиференціальним) входом (див. рисунок 2.15), у другому випадку (див. рисунок 2.14) — приймачем сигналу з диференціальним входом (диференціальним приймачем).

Диференціальний приймач сигналу вимірює різницю потенціалів між двома провідниками. Потенціали відраховуються щодо загального проводу приймача (відносно «землі» приймача). Таким чином, диференціальний приймач сигналів має три входи: два сигнальних і один загальний («землі»). Важливо відзначити, що, з погляду завад, «земля» джерела і приймача сигналу має різні потенціали, тобто це фактично різні «землі», і надалі на схемах вони будуть мати різні умовні позначки.

Диференціальні приймачі можуть бути двох типів: побудовані на основі ізольованого (що плаває) джерела живлення чи на основі схеми віднімання, що дозволяє визначити різницю потенціалів між двома вузлами електричного ланцюга (диференціальний сигнал). Прикладами приймачів першого типу є тестери, система збору даних з комп'ютером типу «ноутбук» чи малогабаритний осцилограф з батарейним живленням. Прикладами диференціальних приймачів на основі віднімання є схеми, побудовані на основі інструментального диференціального підсилювача з великим коефіцієнтом придушення синфазного сигналу.

Своєрідність диференціальних приймачів полягає в тому, що разом з диференціальним сигналом на вихід приймача попадає й ослаблений синфазний сигнал. Коефіцієнт передачі синфазного сигналу менший ніж диференціального у деяке число раз, що називається коефіцієнтом ослаблення синфазного сигналу K_CMRR. Коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу залежить від частоти. Найбільший інтерес для систем промислової автоматизації представляє коефіцієнт послаблення синфазного сигналу з частою 50 Гц, який з'являється як електромагнітне наведення від електричної мережі 220/380 В.

Напруга на виході диференціального приймача сигналу (рисунок 3.2) можна записати у вигляді:

, (3.1)

де - синфазна напруга;

K₀ — диференціальний коефіцієнт підсилення.

Слід зазначити, що диференціальний приймач не може бути отриманий за допомогою двох однофазних приймачів сигналу шляхом простого віднімання сигналів на їхніх виходах (рисунок 3.3). Доведемо це ствердження. Припустимо, що ми використовуємо два підсилювачі з однофазним входом, наприклад, два канали з багатоканальної плати введення, яка має тільки однофазні входи, і хочемо виділити диференціальний сигнал шляхом віднімання напругиV₁ і напруги V₂.

Описана ситуація схематично зображена на рисунку 3.3.

Рисунок 3.3 – Ілюстрація того, як не можна будувати приймач з

диференціальним входом

Для цієї схеми можна записати:

, (3.2)

де К₁ і К₂ - коефіцієнти підсилення однофазних приймачів, відповідно, для сигналу V₁ і V₂.

В ідеальному випадку, коли K₁=K₂=K₀, дійсно одержимо диференціальний приймач сигналу:

V₀=K₀(V₁-V₂).

Однак насправді коефіцієнти підсилення приймачів відрізняються від ідеального значення K₀ на величину відносної похибки γ:

γ₁=(K₁-K₀)/K₀,;

(3.3)

γ₂=(K₀-K₂)/K₀ .

Ця похибка містить у собі інструментальну похибку приймачів, напругу зсуву нуля, шуми електронних приладів і т.д.

Приймемо за методом «найгіршого випадку» (тут — випадок максимальної похибки на виході), що ці похибки рівні між собою, але протилежні за знаком і обидві рівні за абсолютною величиною. Тоді, переписуючи вираз (3.3) у вигляді:

K₁=(1+γ)K₀, K₂=(1-γ)K₀

і підставляючи ці значення в (3.2), одержимо:

V₀=K₀(V₁-V₂)+2γK₀V_c , (3.4)

де — величина синфазного сигналу (по визначенню).

Отже, відносна похибка приведеної до виходу підсилювача вимірюваної величини , яка обумовлена впливом синфазного сигналу, буде дорівнювати

γ₀=2γV_c/(V₁-V₂). (3.5)

Таким чином, у схемі на рисунку 3.3 сума похибок підсилювачів з однофазним входом (2γ) збільшується на відношення величини синфазного сигналу до диференціального. При вимірі сигналів термопар і інших датчиків це відношення може досягати декількох порядків. Тому похибка виміру диференціального сигналу таким методом буде також на кілька порядків більшою.

Припустимо тепер, що потрібно одержати диференціальний сигнал з розрізнювальною спроможністю 12 біт, тобто з відношенням сигналу до похибки, рівним 4096 (вважаємо припустиму похибку рівною одному молодшому значущому розряду — МЗР). Припустимо також, що похибка цілком визначається синфазною завадою, тобто дорівнює γ_c, а γ_c = 1/4096. Якщо при цьому синфазна завада в 10 разів більша за диференціальний сигнал, тобто V_c /(V₁ -V₂) = 10, то з формули (3.5) випливає, що похибка підсилювачів повинна дорівнювати

γ = (γ /2) /10 = 1/81920,

що вимагає розрізнювальної спроможності не менше за 17 біт. Іншими словами, при синфазному сигналі, що перевищує в 10 разів диференціальний сигнал, для одержання розрізнювальної спроможності 12 біт кожний із сигналів повинен бути посилений підсилювачем з розрізнювальною спроможністю 17 біт. Тому у всіх випадках, коли вимірюється різниця двох напруг, потрібно підсилювати потенціал V₁, виміряний відносно V₂, а не відносно «землі». Ця ідея покладена в основу побудови більшості прецизійних підсилювачів з диференціальним входом.

3.2 Вимір напруги заземлених джерел

Розглянемо, що відбувається, коли напруга однофазного заземленого джерела сигналу e₁ (рисунок 3.4) вимірюється за допомогою заземленого однофазного приймача.

Рисунок 3.4 – “Земля” має різні потенціали в різних точках

Оскільки «земля» джерела і “земля” приймача сигналу просторово рознесені, то вони мають різний потенціал і позначені на схемі по-різному. Різниця потенціалів між ними дорівнює V_g. По теоремі про еквівалентний генератор ця різниця потенціалів може бути представлена на схемі джерелом напруги V_g = R_g I_g , де R_g і I_g —, відповідно, опір «землі» і струм через цей опір (рисунок 3.5), причому напруга, яка прикладена до входу приймача V_in, виявляється рівною сумі напруг джерела сигналу і різниці потенціалів між двома “землями”.

Рисунок 3.5 – Еквівалентна схема, що враховує джерело напруги завади

Таким чином, результат виміру, виконаного за описаною схемою, буде містити похибку величиною V_g. Ця похибка може знаходитися в припустимих границях, якщо джерело сигналу і приймач розташовані недалеко один від одного чи якщо напруга сигналу має велику величину (наприклад, вона попереднє посилена).

Ситуація може бути істотно поліпшена, якщо виводи “земля” джерела і приймача сигналу з'єднати мідним провідником з низьким опором (рисунок 3.6).

Рисунок 3.6 – Провідник, що з'єднує «землі» джерела і приймача

сигналу, має кінцевий опір

Однак це не усуває паразитну напругу V_g цілком, оскільки струм, що виникає внаслідок різниці потенціалів «земель», тепер буде текти по з'єднуючому їх провіднику. Як правило, основним компонентом струму є завада з частотою 50 Гц, але велике значення має і ЕРС, що наводиться високочастотними електромагнітними полями. У цьому випадку значну роль відіграє індуктивність провідника, усунути яку без застосування диференціального приймача практично неможливо.

Схема, що забезпечує найбільшу точність виміру сигналу заземленого джерела, показана на рисунку 3.7. Вона містить диференціальний приймач, що послабляє синфазну напругу завади V_g в K_CMRR разів.

Рисунок 3.7 – Вимір сигналу заземленого однофазного джерела за

допомогою диференціального приймача

Слід зазначити, що в схемі на рисунку 3.7 не можна з'єднувати один із входів з “землею” приймача, оскільки при цьому фактично виходить схема з одиночним входом (див. рис. 3.6) із усіма її недоліками.