Mérőhálózatok, zavarjelek, földelések

PTE Műszaki és Informatikai Karés irodalom

DR. GYURCSEK ISTVÁN

Mérőhálózatok, zavarjelek, földelések Forrás és ajánlott irodalom: http://moodle.autolab.uni-pannon.hu/Mecha_tananyag/mereselmelet/ch14.html

1

2016.05.09..

MÉRŐHÁLÓZATOK, ZAVARJELEK, FÖLDELÉSEK – DR. GYURCSEK ISTVÁN

Mérőhálózatok felépítése

Jelforrás

Jelátvitel

Jelvevő

(pl. szenzor)

(pl. mérővezeték)

(pl. mérőműszer)

A jelforrások (jelátalakítók) osztályozása  Impedancia viszonyok szerint  aszimmetrikus  szimmetrikus

2

2016.05.09..

 Földelés szempontjából  földelt  föld-független  földelt eltolt nullaszintű

 Forrásmodell szerint:  feszültségforrás  áramforrás


Miről lesz szó?

Jelforrások Jelvevők Jelforrások és jelvevők összekapcsolása Zavarjelek Földelések

3

2016.05.09..


Aszimmetrikus jelforrások (jelátalakítók) modelljei

Aszimmetrikus földelt  az egyik kapocs földelt  kimenetek és a föld közötti impedanciák különbözőek

4

2016.05.09..

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


Szimmetrikus jelforrások (jelátalakítók) modelljei

Szimmetrikus földelt  kimeneti kapcsok nem földelhetőek  kimeneti kapcsok és a föld közötti impedanciák egyformák

5

2016.05.09..

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


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

6

2016.05.09..


Hol tartunk?


7

2016.05.09..


Aszimmetrikus jelvevők

Aszimmetrikus földelt az egyik bemeneti és kimeneti kapocs valamint a készülékház földelt  a bemeneti kapcsok és a föld közötti impedanciák nagysága különböző

8

2016.05.09..

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


Szimmetrikus jelvevők

Szimmetrikus földelt bemeneti közös pont, kimenet és a készülékház földelt  bemenetek és a föld közötti impedanciák azonosak

9

2016.05.09..

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) MÉRŐHÁLÓZATOK, ZAVARJELEK, FÖLDELÉSEK – DR. GYURCSEK ISTVÁN

Hol tartunk?


10

2016.05.09..


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

11

2016.05.09..


Jelforrások és jelvevők összekapcsolási szabályai (2)

AZ NEM LEHET… (… hogy valami nem kompatibilis!) 12

2016.05.09..


Összekapcsolási szabályok 1

13

2016.05.09..



14

2016.05.09..



15

2016.05.09..



16

2016.05.09..



17

2016.05.09..



18

2016.05.09..


Összekapcsolási szabályok (összefoglalás)

SUMMARY 19

2016.05.09..


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

20

2016.05.09..

Földhurok!!!


Szünet!

? 21

2016.05.09..


Hol tartunk?


22

2016.05.09..


Zavarjelek

 Zaj hatása  [HASZNOS JEL] + [ZAJ] = [TORZULÁS] (info veszteség!)  Torzult jel  a hasznos és a zavarjel eredője

(𝑑𝐵) 𝐿𝑆𝑁𝑅

𝑈𝑆 = 20 log 𝑈𝑁

A zavarjel a mérőkörbe mindig csatolás útján kerül be!

Zajforrás

Csatolás zavarjel Jelforrás hasznos jel

23

2016.05.09..

Jelvevő

Csatorna torzított jel


Csatolások

Csatolás típusai  konduktív  jel, zavarjel galvanikus kapcsolata  induktív  zavarjel mágneses indukcióval…  kapacitív  elektrosztatikus kapcsolat…  akusztikus  mech. rezgés, hangfrekv. zavarjel

24

2016.05.09..


Zavarjelek csökkentésének gyakorlata

1. 2. 3.

a zajforrás megszüntetése (hatásának csökkentése) a csatolás megszüntetése (hatásának csökkentése) 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. (…)

25

2016.05.09..


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)

26

2016.05.09..


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

27

2016.05.09..

Azonos fázisú zavarjel (CMN: Common Mode Noise) [közös módú zaj]  Eltolt nullaszintű jelforrás eltoló zavar feszültsége  Jelvevő bemeneti kapcsait azonos fázisban vezérli


Azonos fázisú zavarjel okozta ellenfázisú zavarjel

[CMN] [DMN]

Kettős földelés  CMN a mérőhurokban DMN-t hoz létre

𝑈𝐸𝐹

UH+UEF

𝑅𝑏𝑒 = 𝑈 𝑅𝑏𝑒 + 𝑅𝐻 + 𝑟 𝐴𝐹

𝐻𝑎 𝑅𝑏𝑒 ≫ 𝑅𝐻 + 𝑟 → 𝑈𝐸𝐹 ≈ 𝑈𝐴𝐹 Jellemzője - Azonos fázisú zavarelnyomás (CMR) (Common Mode Rejection) 𝐶𝑀𝑅 (𝑑𝐵) = 20 log

28

2016.05.09..

𝑈𝐴𝐹 , (𝑎𝑠𝑧𝑖𝑚𝑚. → ~0𝑑𝐵) 𝑈𝐸𝐹


Szimmetrikus bemenet zavarelnyomása

UH + UEF

𝑍1 = 𝑅𝐻 + 𝑟1 , 𝑍2 = 𝑟2 1 1 𝑍11 = ≈ 𝑍22 = 𝜔𝐶11 𝜔𝐶22

29

2016.05.09..

𝑍11 = 𝑍22 = 𝑍 , Δ𝑍 = 𝑍2 − 𝑍1 Z  azonos fázisú bemeneti impedancia 𝞓Z  vezeték aszimmetria impedancia 𝑈𝐸𝐹 Δ𝑍 = 𝑈𝐴𝐹 𝑍 𝑈𝐴𝐹 𝑍 𝐶𝑀𝑅 (𝑑𝐵) = 20 log 20 log 𝑈𝐸𝐹 Δ𝑍 MÉRŐHÁLÓZATOK, ZAVARJELEK, FÖLDELÉSEK – DR. GYURCSEK ISTVÁN

CMR növelésének módjai

 Kettős földelés megszűntetése! 𝐶𝑀𝑅 (𝑑𝐵)

𝑈𝐴𝐹 𝑍 = 20 log 20 log 𝑈𝐸𝐹 Δ𝑍

 Szimmetrikus kialakítás, 𝞓Z=0  Nagy azonos fázisú bemeneti imp (Z) (kis szórt kapacitás)  Védőárnyékolás (Guard) (kisebb eredő kapacitás)

30

2016.05.09..


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)

 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)

 Elektrosztatikus zavarjel (szórt kapacitások okozzák, DMN és CMN is lehet → zajforrás és jelvezetékek térbeli elkülönítése, és/vagy FÖLDELT elektrosztatikus árnyékolás) 31

2016.05.09..


Hol tartunk?


32

2016.05.09..


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 33

2016.05.09..


Földelések 2

IEC 60417 Ground Symbols

34

2016.05.09..


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!

35

2016.05.09..


Leválasztási módok 1 – Repülőkondenzátoros leválasztás

 Kondenzátor = „analóg memória”  Kis értékű szórt kapacitások esetén nagy közös módusú elnyomás!

36

2016.05.09..


Leválasztási módok 2 – Transzformátoros leválasztás

Nehézkes a lineáris  DC/AC és AC/DC átalakítás! Főldhurok megszűntetési példa

37

2016.05.09..


Leválasztási módok 3 – Optikai leválasztás

   

38

2016.05.09..

Terhelhetőség kb. 100mA Szigetelési feszültség 1000-2500 V Csatoló kapacitás < 1 pF. Analóg jelátvitelnél  Nagy linearitási hiba  Kis kivezérelhetőség Javított megoldás (analóg jelre)


Köszönöm a figyelmet!

? 39

2016.05.09..


Mérőhálózatok, zavarjelek, földelések

Recommend Documents