CC BY
105
УДК 621.385.06
Защита от помех управляющего и измерительного электрооборудования системы автоматизации жизнеобеспечения зданий
В.А. Коекин, аспирант Российского государственного университета туризма и сервиса (РГУТиС), г. Москва, e-mail: [email protected]
В.А. Корчагин, аспирант РГУТиСа, e-mail: [email protected]
Рассмотрены и проанализированы проблемы, связанные с защитой от помех управляющего и измерительного электрооборудования, работающего в системах автоматизации жизнеобеспечения зданий.
Aspects of protection of managing and measuring equipment against interference in building automation system are shown and analyzed.
Ключевые слова: электромагнитные помехи; наводки.
Key words: electromagnetic interference; interference.
Введение
К проблеме помехозащищенности управляющего и измерительного оборудования системы автоматизации жизнеобеспечения зданий следует относиться с максимальным вниманием, поскольку неправильный выбор схемы подключения, разводки кабелей, заземления и экранирования управляющего и измерительного оборудования могут свести на нет достоинства электронной части системы автоматизации жизнеобеспечения зданий.
В общем случае паразитные воздействия на процесс передачи сигнала в системе автоматизации жизнеобеспечения зданий можно разделить на следующие группы: воздействия через кондуктивные связи; влияние неэквипотенциальности «земли»; наводки через взаимную индуктивность; наводки через емкостные связи, а также высокочастотные электромагнитные наводки.
Рассмотрим и проанализируем погрешности измерений, вызванные различными паразитными связями, а также способы защиты от помех управляющего и измерительного оборудования, подключаемого к системе жизнеобеспечения зданий.
Погрешности, вызванные кондуктивными связями При передаче сигнала от измерительного датчика к приемнику источником погрешности может быть падение напряжения иа на участке провода, общем для сигнала и некоторой нагрузки. Такая ситуация проиллюстрирована на
рис. 1, где Н - нагрузка; еэ - эквивалентный источник; 1э - ток, протекающий от эквивалентного источника через нагрузку; 1п - паразитный ток, протекающий по общему участку провода «земля», создающий падение напряжения иа. Данная паразитная связь называется кондуктивной (резистивной). Нагрузкой в этом случае может быть, например, некоторая вспомогательная цифровая схема, заземляющий провод компьютера или случайный проводник, замкнувший провод «земля» с корпусом энергетического оборудования, через который протекает ток 1э от источника еэ.
Даже схема, состоящая из нескольких операционных усилителей, может создать на проводе длиной в 20 см падение напряжения более 1 мВ. Особенно большие проблемы может создать цифровая схема, работающая в момент передачи аналогового сигнала. В результате входное напряжение ипр будет складываться из напряжения источника сигнала е\ и напряжения помехи иа.
Рис. 1. Схема, поясняющая кондуктивные связи
Решением этой проблемы является подсоединение «земли» источника сигнала к приемнику отдельным изолированным проводом, который не используется ни для каких иных целей (см. пунктирную линию на рис. 1). В общем случае, чтобы заранее предотвратить возникновение данной проблемы, следует различать понятия «сигнальная земля», «аналоговая земля», «цифровая земля». Все эти «земли» должны быть выполнены разными проводами, и их можно соединять только в одной общей точке. Сигнальные цепи нельзя использовать для питания даже маломощной аппаратуры. Индуктивные и емкостные связи Предположим, что рядом с сигнальным проводом проходит некоторый провод, по которому протекает ток амплитудой 1п (рис. 2). Тогда вследствие эффекта электромагнитной индукции на сигнальном проводе будет наводиться напряжение помехи ипм. В случае синусоидальной формы тока амплитуда напряжения помехи, наводимой на сигнальном проводе, будет равна [1]:
ипм = 1п{оМ (Я, + Яп)№ + Дп)2 +о2 Ь2]"0,5}. (1)
Здесь М - взаимная индуктивность между проводами; Ь - индуктивность сигнального провода; о = 2%/ (/"- частота тока помехи); Я - выходное сопротивление источника сигнала; Яп - сопротивление сигнального провода; Япр - входное сопротивление приемника.
Величина взаимной индуктивности пропорциональна площади витка, который пересекается магнитным полем, созданным током 1п. В данном случае «витком» является контур, по которому протекает ток, вызванный э.д.с. помехи.
На рис. 2 этот контур образован сигнальным проводом, входным сопротивлением приемника, проводом «земли» и выходным сопротивлением источника сигнала. Для уменьшения взаимной индуктивности площадь данного контура должна быть минимальной, т.е. сигнальный провод должен быть проложен максимально близко к «земле».
Рис. 2. Схема прохождения емкостной и индуктивной помехи
Эффективную площадь «витка» можно шить, если расположить его в плоскости, перпендикулярной плоскости контура с током, наводящим помехи.
Из (1) следует, что индуктивная наводка увеличивается с ростом частоты и отсутствует на постоянном токе. Напряжение помехи на рис. 2 включено последовательно с источником сигнала, т.е. вносит аддитивную погрешность в результат измерения. При бесконечно большом сопротивлении Япр напряжение на входе приемника имеет вид ипр = е, + а>М1п и не зависит от сопротивления источника сигнала.
Емкостная наводка через паразитную емкость между проводниками Сс, наоборот, полностью определяется величиной внутреннего сопротивления источника сигнала Я, поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопротивления Я, включенного параллельно Япр, и емкости Сс, и будет определяться как
ип.емк = еп{[о(Я||Япр) Сс][1 + (о(Я||Япр)Сс)2]-0,5}, тогда
Цр = ег+еи{[о(Я||ЯПр) Сс][1+ (о(Я||ЯПр)Сс)2]-05}. (2) Как следует из (2) , при Я = 0 емкостная помеха полностью отсутствует. В действительности сигнальный проводник имеет некоторое индуктивное и резистивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью устранить емкостную наводку с помощью источника с низким внутренним сопротивлением. Особенно важно учитывать индуктивность сигнального провода в случае высокочастотных помех.
Датчики, имеющие большое внутреннее сопротивление или малое напряжение сигнала, нужно использовать совместно с усилителем, расположенным в непосредственной близости к датчику, а к приемнику следует передавать уже усиленный сигнал.
Для устранения индуктивной наводки носителем сигнала должен быть ток, а не напряжение, т.е.
источником сигнала должен быть идеальный источник тока (рис. 3). Ток источника тока не зависит от характера нагрузки (по определению), в том числе от величины наведенной ЭДС. Таким образом, для снижения емкостной наводки сигнал нужно передавать с помощью идеального источника напряжения, а для снижения индуктивной наводки - с помощью идеального источника тока.
Выбор носителя информации (ток или напряжение) в каждом конкретном случае зависит от того, какая помеха преобладает - индуктивная или емкостная. Как правило, если источник помехи имеет большое напряжение, то емкостные наводки преобладают над индуктивными. Индуктивные же помехи создаются током, поэтому они велики в том случае, когда источником помехи является мощное оборудование, потребляющее большой ток.
Отметим, что экранирование магнитной наводки технически гораздо сложнее, чем емкостной.
Стремление совместить преимущества передачи сигнала в форме тока и в форме напряжения приводит к передаче информации сигналом большой мощности. Отношение мощности сигнала к мощности помехи определяет величину погрешности, вносимую помехами в результат измерения. Этот же вывод следует непосредственно из (2): при сопротивлениях нагрузки и источника, стремящихся к нулю, напряжение помехи также стремится к нулю (а передаваемая мощность - к бесконечности).
Паразитные связи в дифференциальных линиях передачи сигнала
Кардинальным средством устранения индуктив-
ных и емкостных связей является применение источников сигнала с дифференциальным токовым выходом и использованием приемников с низкоомным (токовым) дифференциальным входом (рис. 4). В них индуктивная наводка мала, поскольку информация передается в форме тока, а емкостная наводка мала, поскольку при хорошей симметрии ли нии передачи она является синфазной и подавляется входным дифференциальным приемником.
Дополнительной защитой линии является ее экранирование. Токи источников тока на рис. 4 строго равны между собой и противоположны по направлению.
Для получения высокого качества передачи сигнальные провода должны быть экранированы и выполнены в виде витой пары, чтобы обеспечить лучшую согласованность их продольных импедан-сов и импеданса на «землю». Разница в длине проводов и в частотных характеристиках их импедан-сов может быть причиной появления синфазной помехи на высоких частотах.
Для повышения степени согласованности линий в витой паре лучше использовать провода, специально изготовленные и аттестованные для инструментальных индустриальных применений (например, фирмы ВеЫеп). Использование двух витых, соединенных параллельно пар вместо одной позволяет снизить продольный импеданс проводов и повысить точность передачи сигнала.
Для предотвращения насыщения выходных каскадов источников тока разностью токов (11 - 12) можно использовать способ, аналогичный способу, представленному на рис. 5 [2]. Однако в данном случае резисторы должны быть соединены с «землей» источника сигнала.
Рис. 4. Схема передачи сигнала с помощью тока
Рассмотренные источники тока обладают существенным недостатком. Ни к одному из зажимов нагрузки этих источников тока не может быть приложен постоянный потенциал (в том числе и нулевой), поскольку в противном случае либо выход, либо инвертирующий вход операционного усилителя будет «закорочен». Приведенные ниже схемы не имеют этого недостатка.
Рис. 5. Схема устранения насыщения дифференциального приемника
Недостатком токовых каналов передачи информации является то, что в соответствии с выражением (2) при бесконечно большом сопротивлении источника и приемника сигнала относительно «земли» напряжение емкостной наводки является максимальным. Применение резисторов для отвода тока помехи на землю (см. рис. 5) улучшает ситуацию. Однако не следует выбирать эти резисторы очень малой величины, поскольку при этом увеличивается влияние их рассогласования на погрешность передачи тока.
Рассмотрим источники тока, выполненные на базе операционных усилителей, с незаземленной и заземленной нагрузкой.
Источники тока с незаземленной нагрузкой. В инвертирующем и неинвертирующем усилителе по резистору отрицательной обратной связи протекает ток 12 = и1Я1"1. Таким образом, этот ток не зависит от падения напряжения на резисторе Я2.
Следовательно, оба этих усилителя можно использовать в качестве источников тока, в которых вместо резистора обратной связи включена нагрузка (рис. 6).
Поскольку дифференциальный коэффициент усиления операционного усилителя КЦ имеет конечное значение, входное дифференциальное напряжение ид остается отличным от нуля. Для определения выходного сопротивления источника тока (см. рис. 6, а) запишем:
11 = 12 = (Ц - ЦОЯ!'1, Ц = - (ЦвыхКц-1), Ц = Ц -Цвых.
Отсюда получим следующее соотношение:
12 = ^ЯГ1 - Ц2[Я1(1 + Кц)]'1 * ад-1 - ЩКц Я1]-1.
Таким образом, выходное сопротивление источника тока будет равно
Явых = - (ацда=кя
Оно пропорционально дифференциальному коэффициенту усиления операционного усилителя. Выходное сопротивление схемы на рис. 6, б может быть рассчитано аналогично.
Рис. 6. Источники тока с нагрузкой в цепи обратной связи: а - первый вариант включения нагрузки; б - второй вариант
Источники тока с заземленной нагрузкой. Принцип действия источника тока, схема которого приведена на рис. 7, состоит в том, что выходной ток измеряется по падению напряжения на резисторе Я1. Выходное напряжение операционного усилителя устанавливается таким, что падение напряжения на резисторе Я1 оказывается равным величине входного напряжения.
Для определения выходного тока источника запишем уравнения в соответствии с первым законом Кирхгофа для п- и р-входов и выхода операционного усилителя:
№ых - ад-1 - адэ-1 = о,
(и - ад-1 + (и - ад-1 = о,
Цвых - ад-1 - (и2 - ЦЖ1 - І2 = 0.
Рис. 7. Источник тока, управляемый напряжением, для заземленной нагрузки
Из этих уравнений при ип= ир получим:
12 = и1[0,5^2'1 + 0,5Л1-1Лз'1(^2 + Яз)] + +Ц2[0,5Д1-1 Яз-1(Я2 + Яз) + 0,5Я1-1Я2-1(Я1 + 2Я2)]. Приравняв к нулю коэффициент при и2, найдем условие независимости выходного тока от напряжения на нагрузке:
Яз = (Я2)2(Я1 + Я2)-1. (3)
Теперь выражение для выходного тока источника будет иметь вид
12 = ВДЯ)'1.
Выполняя точную подстройку Д3, можно добиться бесконечного выходного сопротивления источника тока на низких частотах при реальных характеристиках операционного усилителя. Недостаток схемы, однако, состоит в том, что внутреннее сопротивление Ди управляющего источника напряжения и1 входит в выражение (3) (оно добавляется к сопротивлению резистора, подключенного ко входу схемы). К тому же ток управляющего источника напряжения зависит от сопротивления нагрузки. В результате полная балансировка источника невозможна, если Ди (как, например, у стабилитронов) зависит от тока. Этого недостатка не имеет схема, приведенная на рис. 8, где входной резистор присоединен к виртуальному нулю.
Другое достоинство этой схемы состоит в отсутствии синфазного сигнала. Для расчета выходного тока в этой схеме используем следующее соотношение:
Щ = - из = Щ + ЯЯз-1) Щ .
В соответствии с первым законом Кирхгофа запишем уравнение для выхода схемы:
(и4 - ЩОДГ1 - ЩЯз-1 - 12 = 0. Исключив потенциал Щ4, получим выражение
12 =иЯ1А + - Яз - ВД'Дз'1],
из которого следует, что выходной ток не будет зависеть от выходного напряжения, если выполняется условие Д3 = Д2 - Д1.
В заключение заметим, что рассмотренные выше источники тока с заземленной нагрузкой представляют собой системы с регулированием по возмущению (системы с компенсирующими связями). В отличие от систем с регулированием по отклонению (систем с отрицательными обратными связями), системы с регулированием по возмущению требуют точной настройки параметров связей, как это и следует из последнего выражения и выражения (3). Схемы источников тока с незазем-ленной нагрузкой - это системы с регулированием по отклонению. Они не требуют точной настройки связей, а лишь по возможности большего значения дифференциального коэффициента усиления.
Экранирование сигнальных проводов
Методы экранирования сигнального провода выбираются в зависимости от путей прохождения помехи. Для устранения паразитной емкостной связи используют электростатический экран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые провода, а для защиты от магнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью [3 - 5].
Рис. 8. Источник тока на операционном усилителе в инвертирующем включении
Нельзя соединять электростатический экран с «землей» источника и приемника одновременно, поскольку при этом через экран течет ток, обусловленный неравенством потенциалов этих «земель» и достигающий в цеховых условиях нескольких ампер, а разность потенциалов «земель» может достигать нескольких вольт.
Ток, протекающий по экрану, является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводах, находящихся внутри экрана. Наводка на провода внутри экрана может иметь значительную величину при неточном их центрировании вследствие технологического разброса. Поэтому экран нужно заземлять только с одной стороны, причем со стороны источника сигнала. В общем случае при передаче широкополосного сигнала от удаленного источника с высоким сопротивлением рекомендуется использовать популярную схему гибридного заземления (рис. 9) [6 - 8].
В данной схеме емкость СВЧ позволяет ослабить высокочастотную составляющую помехи. Таким образом, низкочастотный ток, создающий индуктивную наводку, остается малым, а высокочастотные наводки заземляются через емкость.
Экран, защищающий от паразитных индуктивных связей, сделать гораздо сложнее, чем электростатический экран. Для этого нужно использовать материал с высокой магнитной проницаемостью и, как правило, гораздо большей толщины, чем толщина электростатических экранов. Для частот ниже 100 кГц можно использовать экран из стали или пермаллоя. На более высоких частотах используются алюминий и медь [3 - 6]. В связи со сложностью экранирования магнитной составляющей помехи особое внимание следует уделить уменьшению индуктивности сигнального провода и выбору подходящей схемы приемника и передатчика. Если источник сигнала не заземлен, например, в случае большинства температурных датчиков, то экран применяют в сочетании с дифференциальным усилителем и резисторами на входе, назначение которых было проанализировано ранее. При этом экран заземляют (рис. 10).
Было проведено экспериментальное сравнение различных способов подключения источника сигнала через экранированную витую пару длиной 3,5 м. Использовался инструментальный усилитель ЯЪ 4DA200 с системой сбора данных ЯЪ 40А1 фирмы RLDA. Экспериментальные исследования показали, что отказ от экранирования сигнального провода (см. рис. 10, экран и цепь заземления в этом случае перечеркнуты) увеличивает амплитуду помехи в четыре раза. Использование приемника сигналов с одиночным включением вместо дифференциального включения (рис. 11) увеличивает амплитуду помехи еще в пять раз. Если в этом случае отказаться от экрана (на рис. 11 экран перечеркнут), то амплитуда помехи увеличивается уже более чем в 230 раз.
Рис. 10. Схема заземления экрана сигнального провода при дифференциальном включении приемника сигналов
чении приемника сигналов
Высокочастотные электромагнитные помехи наводятся от таких источников, как радио и телевизионные передатчики, мобильные и радиотелефоны, тиристорные преобразователи, коллекторные электродвигатели, электросварочное оборудование, дисплеи компьютеров и сами компьютеры.
Помехи с частотой выше 100 кГц обычно находятся за границей частотного диапазона измерительных систем, однако высокочастотные помехи могут быть нежелательным образом выпрямлены или перенесены в область более низких частот по причине нелинейности характеристик диодов и транзисторов, расположенных на измерительной плате и внутри микросхем.
Таким образом, были предложены различные способы защиты от воздействующих помех на управляющее и измерительное оборудование, подключаемое к системе автоматизации жизнеобеспечения зданий. Показано, что в общем случае паразитные воздействия на процесс передачи сигнала в системе автоматизации жизнеобеспечения зданий можно разделить на следующие группы: воздействия через кондуктивные связи; влияние неэквипотенциальности «земли»; наводки через взаимную индуктивность; наводки через емкостные связи; высокочастотные электромагнитные наводки.
Рассмотрены погрешности измерения информационного сигнала, вызванные кондуктивными связями. Показано, что для предотвращения возникновения данной проблемы следует различать понятия «сигнальная земля», «аналоговая земля», «цифровая земля». Все эти «земли» должны быть выполнены разными проводами, причем соединять их можно лишь в одной общей точке. Показано, что сигнальные цепи нельзя использовать для питания даже маломощной аппаратуры.
Проанализированы погрешности измерения информационного сигнала, вызванные индуктивными и емкостными связями. Показано, что выбор носителя информации (ток или напряжение) в каждом конкретном случае зависит от того, какая помеха преобладает: индуктивная или емкостная. Как правило, емкостные наводки преобладают над индуктивными, если источник помехи имеет большое напряжение. Индуктивные помехи велики в случае, когда источ-
ником помехи является мощное оборудование, потребляющее большой ток.
Рассмотрены и проанализированы паразитные связи в дифференциальных линиях передачи информационного сигнала. Показано, что кардинальным средством устранения индуктивных и емкостных связей является применение источников сигнала с дифференциальным токовым выходом и использованием приемников с низкоомным (токовым) дифференциальным входом. В них индуктивная наводка мала, поскольку информация передается в форме тока, а емкостная наводка мала, поскольку при хорошей симметрии линии передачи она является синфазной и подавляется входным дифференциальным приемником.
ЛИТЕРАТУРА
1. Денисенко В., Халявко А. Защита от помех датчиков и соединительных проводов систем промышленной автоматизации // Современные технологии автоматизации, 2001, №1.
2. Демерчян Э.Г., Артюшенко В.М. Защита от помех измерительных датчиков систем автоматизации жизнеобеспечения зданий // Материалы межвузовской научн.-практ. конф. «Проблемы развития электротехнических комплексов и информационных систем».- М.: ГОУ ВПО «МГУС», 2005.
3. Гроднев И.И. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот. - М.: Связь, 1972.
4. Полонский Н.Б. Конструирование электромагнитных экранов для радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Сов. радио, 1979.
5. Шапиро Д.Н. Основы теории электромагнитного экранирования. - Л.: Энергия, 1975.
6. Конструирование радиоэлектронной и электронновычислительной аппаратуры с учетом электромагнитной совместимости / А.Д. Князев, Л.Н. Кечиев, Б.В. Петров. - М.: Радио и связь, 1989.
7. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. - М.: Радио и связь, 1984.
8. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных системах: Пер. с англ. / Под ред. М.В. Гальперина. - М.: Мир, 1979.
Поступила 03.02.2009 г.
