Mérőhálózatok, zavarjelek, földelések

Átírás

1 PTE Műszaki és Informatikai Karés irodalom DR. GYURCSEK ISTVÁN Mérőhálózatok, zavarjelek, földelések Forrás és ajánlott irodalom:

2 Mérőhálózatok felépítése Jelforrás (pl. szenzor) Jelátvitel (pl. mérővezeték) Jelvevő (pl. mérőműszer) A jelforrások (jelátalakítók) osztályozása Impedancia viszonyok szerint aszimmetrikus szimmetrikus Földelés szempontjából földelt föld-független földelt eltolt nullaszintű Forrásmodell szerint: feszültségforrás áramforrás

3 Miről lesz szó? Jelforrások Jelvevők Jelforrások és jelvevők összekapcsolása Zavarjelek Földelések

4 Aszimmetrikus jelforrások (jelátalakítók) modelljei Aszimmetrikus földelt az egyik kapocs földelt kimenetek és a föld közötti impedanciák különbözőek Aszimmetrikus földfüggetlen kimeneti kapcsok a földtől szigeteltek az egyik kapocs földelhető kimenetek és a föld közötti impedanciák különbözőek Aszimmetrikus földelt, eltolt nullszintű kimeneti vezetékek nem földelhetőek kimenetek és a föld közötti impedanciák különbözőek

5 Szimmetrikus jelforrások (jelátalakítók) modelljei Szimmetrikus földelt kimeneti kapcsok nem földelhetőek kimeneti kapcsok és a föld közötti impedanciák egyformák Szimmetrikus földfüggetlen egyik kimeneti kapocs vagy a közös pont földelhető kimeneti kapcsok és a kivezetett közös pont közötti impedanciák egyformák Szimmetrikus földelt, eltolt nullszintű kimeneti kapcsok nem földelhetőek kimeneti kapcsok és a föld közötti impedanciák egyformák

6 Jelátalakítók tipikus hibái Ofszet (nullpont) hiba a bemenőjeltől független állandó összetevő a kimeneten Kalibrációs hiba - a tényleges és az ideális transzfer karakterisztika közötti eltérés Linearitási hiba - a tényleges transzfer karakterisztika eltérése a referencia egyenestől Felbontási hiba - a jelátalakító képtelen egy adott növekménynél kisebb változást produkálni Hiszterézis hiba - ugyanaz a kimeneti jel más bemeneti jeleknél is létrejön a megközelítési iránytól függően Fázishiba - a ki- és bemeneti jelek fázisszögének a különbsége Hőmérsékleti hiba - a kimeneti jel hőmérsékletváltozás okozta megváltozása Terhelési hiba - a kimeneten lévő terhelő impedancia megváltozása okozta kimenőjel változás

7 Hol tartunk? Jelforrások Jelvevők Jelforrások és jelvevők összekapcsolása Zavarjelek Földelések

8 Aszimmetrikus jelvevők Aszimmetrikus földelt az egyik bemeneti és kimeneti kapocs valamint a készülékház földelt a bemeneti kapcsok és a föld közötti impedanciák nagysága különböző Aszimmetrikus földfüggetlen, árnyékolt egyik kimenet és a készülékház földelt egyik bemenet a föld-független árnyékoláson bemenetek a földtől, kimeneti kapcsoktól és készülékháztól szigeteltek egyik bemenetet földelve a bemenetek és a föld közötti impedanciák különbözőek Aszimm. földfüggetlen, védőárnyékolt kimenet és ház földelt védőárnyékolás (Guard) föld-független (lebegő) bemenet melegpont (H) Guardhoz nagy hidegpont (L) Guardhoz kis szórási impedanciájú

9 Szimmetrikus jelvevők Szimmetrikus földelt bemeneti közös pont, kimenet és a készülékház földelt bemenetek és a föld közötti impedanciák azonosak Szimmetrikus földfüggetlen, védőűrnyékolt kimenet és a készülékház földelt a bemeneti kapcsok és a védőárnyékolás közötti szórási impedanciák azonosak aszimmetrizálás Guard egyik bemenetre kötve (aszimmetrikus föld-független jelvevő)

10 Hol tartunk? Jelforrások Jelvevők Jelforrások és jelvevők összekapcsolása Zavarjelek Földelések

11 Jelforrások és jelvevők összekapcsolási szabályai (1) SZABÁLYOK Csak egyetlen pontban földelhető a rendszer! egy pontban viszont le kell földelni! Szimmetrikus áramkört kialakítani ha lehet! (a szimmetrikus felépítésű rendszereknek jobb a zavarjel elnyomása) Védőárnyékolások potenciálját rögzíteni kell! a jelvezetékek árnyékolását össze kell kapcsolni a jelvevő védőárnyékolásával a jelforrás hidegpontjánál célszerű földelni a cél minél kisebb potenciálkülönbség a jelvezeték és az árnyékolás között

12 Jelforrások és jelvevők összekapcsolási szabályai (2) AZ NEM LEHET ( hogy valami nem kompatibilis!)

13 Összekapcsolási szabályok

14 Összekapcsolási szabályok

15 Összekapcsolási szabályok

16 Összekapcsolási szabályok

17 Összekapcsolási szabályok

18 Összekapcsolási szabályok

19 Összekapcsolási szabályok (összefoglalás) SUMMARY

20 Vezetékárnyékolás földelésének szabályai föld-független jelforrás vezetékárnyékolást a jelvevőnél leföldelni földelt jelforrás (nem eltolt nullaszintű) vezetékárnyékolást a jelforrásnál leföldelni földelt jelforrás (eltolt nullaszintű) vezetékárnyékolást a jelforrásnál az eltolt nullszintre kötni föld-független jelvevő (árnyékolt / védőárnyékolt) vezetékárnyékolást az árnyékoláshoz (védőárnyékoláshoz) kötni csak a jelforrás oldalon leföldelni Földhurok!!!

21 Szünet!?

22 Hol tartunk? Jelforrások Jelvevők Jelforrások és jelvevők összekapcsolása Zavarjelek Földelések

23 Zavarjelek Zaj hatása [HASZNOS JEL] + [ZAJ] = [TORZULÁS] (info veszteség!) Torzult jel a hasznos és a zavarjel eredője L SNR (db) = 20 log U S U N Zajforrás A zavarjel a mérőkörbe mindig csatolás útján kerül be! Jelforrás hasznos jel Csatolás zavarjel Csatorna torzított jel Jelvevő

24 Csatolások Csatolás típusai konduktív jel, zavarjel galvanikus kapcsolata induktív zavarjel mágneses indukcióval kapacitív elektrosztatikus kapcsolat akusztikus mech. rezgés, hangfrekv. zavarjel

25 Zavarjelek csökkentésének gyakorlata 1. a zajforrás megszüntetése (hatásának csökkentése) 2. a csatolás megszüntetése (hatásának csökkentése) 3. a zavarjel szűrése a jelvevő oldalon analóg szűrés (jelvevőbe beépített analóg szűrővel) digitális szűrés (jelfeldolgozó proc. algoritmussal) 4. a hasznos- és a zavarjel frekvenciájának nagyságrendi elkülönítése (ökölszabály!) 5. aktív zajcsökkentés 6. ( )

26 Zavarjelek felosztása Időbeli változás szerint DC Noise időben állandó AC Noise jellemzői: frekvencia, amplitúdó Transient Noise rövid idejű! (pl. induktív terhelések ki- és bekapcsolása) Sztochasztikus zaj időben folytonos, szélessávú Mérőáramkörökben megjelenési forma szerint Ellenfázisú zavarjel DMN Azonos fázisú zavarjel CMN Azonos fázisú zavarjel okozta ellenfázisú zavarjel (CMN DMN)

27 Ellenfázisú és azonos fázisú zavarjelek (DMN - Differential Mode Noise) Ellenfázisú zavarjel (DMN: Differential Mode Noise) [soros zaj], [transzverzális zaj] Mérőhurokban sorosan fellépő zavarjel Jelvevő bemeneti kapcsait ellenfázisban vezérli Azonos fázisú zavarjel (CMN: Common Mode Noise) [közös módú zaj] Eltolt nullaszintű jelforrás eltoló zavar feszültsége Jelvevő bemeneti kapcsait azonos fázisban vezérli

28 Azonos fázisú zavarjel okozta ellenfázisú zavarjel [CMN] [DMN] Kettős földelés CMN a mérőhurokban DMN-t hoz létre U EF = R be R be + R H + r U AF U H +U EF Ha R be R H + r U EF U AF Jellemzője - Azonos fázisú zavarelnyomás (CMR) (Common Mode Rejection) CMR (db) = 20 log U AF U EF, (aszimm. ~0dB)

29 Szimmetrikus bemenet zavarelnyomása U H + U EF Z 11 = Z 22 = Z, ΔZ = Z 2 Z 1 Z azonos fázisú bemeneti impedancia ΔZ vezeték aszimmetria impedancia Z 1 = R H + r 1, Z 2 = r 2 Z 11 = 1 Z ωc 22 = 1 11 ωc 22 U EF U AF = ΔZ Z CMR (db) = 20 log U AF U EF 20 log Z ΔZ

30 CMR növelésének módjai Kettős földelés megszűntetése! CMR (db) = 20 log U AF U EF 20 log Z ΔZ Szimmetrikus kialakítás, ΔZ=0 Nagy azonos fázisú bemeneti imp (Z) (kis szórt kapacitás) Védőárnyékolás (Guard) (kisebb eredő kapacitás)

31 Zavarjelek forrásai Csatlakozási potenciál (helyi galvánelemek minimális számú csatlakozás + korrózióvédelem) Termikus potenciál (különböző fémek kontaktusa, hőmérsékletfüggő ellenfázisú zavarjel minimális számú csatlakozás) Átmeneti ellenállás, átvezetés (kapcsolók bizonytalan érintkezői érintkezők rendszeres tisztítása szigetelések ellenőrzése) Elektromágneses zavarjel (csatorna külső mágneses térben sodrott érpár, helyes földelés, mágneses árnyékolás) Elektrosztatikus zavarjel (szórt kapacitások okozzák, DMN és CMN is lehet zajforrás és jelvezetékek térbeli elkülönítése, és/vagy FÖLDELT elektrosztatikus árnyékolás) KI/BE kikapcsolás zavarjele (tranziens zaj konduktív, induktív, kapacitív csatolással ( L megszakításakor vagy C kapacitív terhelések rövidre zárásakor keletkezik) túlfeszültség védelem, áramkorlátozás Kábelhajlításból származó zavarjel (piezoelektromos hatás a vezeték és árnyékolás közti szigetelőben hajlítási előírások betartása) Tápforrásból származó zavarjelek (hálózati transzformátor szórt kapacitásán át hálózati eredetű zavarjelek a primer és szekunder tekercs közé elektrosztatikus árnyékolás - egy sor rézhuzal földelve)

32 Hol tartunk? Jelforrások Jelvevők Jelforrások és jelvevők összekapcsolása Zavarjelek Földelések

33 Földelések 1 A földelés egy rögzített potenciálú villamos vezető, amelyet a földbe beásott (levert) fémszondához csatlakoztatnak Földpotenciál egy adott pontban a Föld nagy kapacitása miatt közel állandó! Típusai PE (érintésvédelmi föld) a villamos berendezések üzemszerűen feszültségmentes fémrészeihez csatlakozó földelt vezető (életvédelmi szerepe van, üzemi áramvezetésre használni tilos!) GND (tápföld) az energiaellátást biztosító tápegység(ek) közös vezetéke (áramvezető szerepe van) AGND (analóg jelföld) az információt hordozó analóg jelek referenciapontjaként szolgáló vezető DGND (digitális jelföld) az információt hordozó digitális jelek referenciapontjaként szolgáló vezető SGND (rendszerföld) fentiek EGY(!) pontban közösítetve, földre kötve

34 Földelések 2 IEC Ground Symbols

35 Földhurok Többszörös földelések földhurkok azonos fázisú és ellenfázisú zavarjelek MEGOLDÁS: földhurkok galvanikus szétválasztása (földelt jelforrás és földelt jelvevő is összekapcsolható földpotenciál különbségből adódó azonos fázisú zavarjel nem alakul ellenfázisú zavarjellé) NEM MINDIG EGYSZERŰ!

36 Leválasztási módok 1 Repülőkondenzátoros leválasztás Kondenzátor = analóg memória Kis értékű szórt kapacitások esetén nagy közös módusú elnyomás!

37 Leválasztási módok 2 Transzformátoros leválasztás Nehézkes a lineáris DC/AC és AC/DC átalakítás! Főldhurok megszűntetési példa

38 Leválasztási módok 3 Optikai leválasztás Terhelhetőség kb. 100mA Szigetelési feszültség V Csatoló kapacitás < 1 pf. Analóg jelátvitelnél Nagy linearitási hiba Kis kivezérelhetőség Javított megoldás (analóg jelre)

39 Köszönöm a figyelmet!?